Мобильный рельсосварочный комплекс для ВСМ Москва – Санкт-Петербург: от разработки до испытаний

Работа над созданием мобильного рельсосварочного комплекса ведется в рамках подготовки к запуску движения по ВСМ Москва – Санкт-Петербург. Модуль на базе модернизированной головки МСР-120.01А У1 рассматривается как один из вариантов сменного оборудования для универсальной автомотрисы нового поколения, создаваемой инженерными центрами «Синара – Транспортные Машины» (СТМ).

В сентябрьском номере журнала «Путь и путевое хозяйство» вышла большая статья от разработчиков комплекса. В ней коллектив авторов из «Калугапутьмаша» (входит в СТМ), «СКТ Инжиниринга» и ЕВРАЗа раскрыл подробности создания, испытаний и применения мобильного рельсосварочного комплекса. В ходе опытно-промышленных испытаний на рельсах категории Р65 была подтверждена высокая производительность комплекса. СТМ заявляют, что машинное время сварки одного стыка не превышает 110 секунд, а пиковая производительность достигает не менее 20 соединений в час. ROLLINGSTOCK публикуют статью в полном объеме с минимальной редактурой.

Развитие высокоскоростных железнодорожных магистралей со скоростным режимом до 400 км/ч представляет собой стратегический приоритет модернизации транспортной инфраструктуры России. Реализация проекта ВСМ Москва – Санкт-Петербург (ВСМ-1), предусмотренного Транспортной стратегией Российской Федерации до 2030 года и с прогнозом до 2035-го, требует внедрения инновационных отечественных технологий содержания пути, включая автоматизированные системы мониторинга, прецизионную геометрию пути и безупречное качество сварки рельсовых плетей.

Опережающая разработка и внедрение модернизированных мобильных сварочных комплексов обеспечит ввод участка ВСМ-1 в соответствии с утвержденной дорожной картой, минимизирует импортозависимость и обеспечит фундамент для реализации последующих проектов высокоскоростных магистралей опережающими темпами.

Разработанные Центральной дирекцией инфраструктуры РЖД в августе 2025 года технические требования к служебной автомотрисе для высокоскоростных магистралей закладывают в ее основу модульный архитектурный принцип.

Конструкция машины предполагает оснащение унифицированного базового шасси комплектом сменных функциональных модулей, включая модули для сварочных работ, раскатки контактной сети, перевозки персонала и грузов, а также монтажную вышку, инспекционно-обслуживающий блок для искусственных сооружений, жилой и компрессорный модули, съемное гололедоочистительное устройство. Данный подход к созданию многофункциональной железнодорожной техники является актуальным для Группы Синара, обладающей опытом разработки аналогичных платформ (например, автомотрис АМ-140 ПК и АМ-140).

Особое внимание в рамках реализации проекта уделяется созданию одного из наиболее наукоемких и технически сложных модулей — сварочного. Его разработка требует интеграции дизель-генераторной установки, крана-манипулятора, гидравлических систем и системы управления для обеспечения высокого качества сварного шва. Актуальность и срочность работ по данному модулю обусловлены плановым вводом в эксплуатацию в апреле 2028 года ВСМ Москва — Санкт-Петербург, что определяет необходимость опережающей разработки ключевых технологических компонентов.

Разработку сварочного комплекса выполняет компания «СКТ-Сервис», входящая в машиностроительный дивизион ГК «Акрон Холдинг». Предприятие, созданное в 2022 году на базе производственных активов «Псковэлектросвар» и «Псковгеокабель», располагает производственными площадями в 80 тыс. м², оснащено 200 единицами современного оборудования и укомплектовано штатом из 180 высококвалифицированных специалистов. Наличие собственного конструкторского бюро и экспериментально-исследовательского отдела позволяет компании осуществлять полный цикл создания новых технологий.

Благодаря собственной исследовательской базе, а также технологической поддержке со стороны Группа Синара (производителя путевой техники для сварки рельсов в пути) и компании ЕВРАЗ, специалистами «СКТ-Сервис» был разработан мобильный комплекс и произведена отработка технологических параметров режимов сварки рельсов типа Р65 категории ДТ350 из стали марки 76ХФ по ГОСТ Р 51685-2022. Рельсы данной категории доминируют по объему поставок на сети РЖД, изготовлены из аналогичной марки стали и по классу твердости соответствуют рельсами специального назначения, предназначенным для укладки на высокоскоростных магистралях со скоростью до 400 км/ч (категория ДТ350ВС400).

Основой для создания комплекса послужила модернизированная подвесная машина для контактной стыковой сварки рельсов МСР–120.01А. Машина оснащена новой электронной системой управления, которая обеспечивает высокую стабильность технологического режима и точность контроля параметров.

Машина МСР-120.01А предназначена для контактной стыковой сварки непрерывным или пульсирующим оплавлением с последующим растяжением рельсовой плети и снятием грата. Площадь свариваемого поперечного сечения — до 10 тыс. мм².

Сварочное устройство состоит из неподвижного корпуса и подвижного корпуса, установленного на двух направляющих. Каждый корпус содержит по два силовых и по два электродных рычага с соответствующими рычажными системами. Силовые рычаги обеспечивают зажим рельсов, электродные — центровку свариваемых торцов рельсов и подвод тока к их шейкам. Конструкция электродов позволяет им свободно поворачиваться в двух плоскостях и самоустанавливаться по шейке рельса.

При разработке технологии сварки для мобильного комплекса и подтверждения стабильности технологического процесса, была произведена сварка 10 сварных стыков с последующим испытанием на статический трехточечный изгиб с приложение нагрузки на головку и на подошву. Для сварки контрольных образцов использовали рельсы текущего производства типа Р65 категории ДТ350, предоставленные Западно-Сибирским металлургическим комбинатом ЕВРАЗа.

Механические испытания образцов на статический изгиб проводились на специализированном прессовом оборудовании с последующим осмотром изломов контрольных образцов. Результаты показали, что все образцы выдержали контрольную нагрузку без признаков хрупкого разрушения. Предел прочности при изгибе составил 2182,6–2307,3 кН, что соответствует уровню прочности, установленному в ТУ 24.10.75-369-01124323-2019 «Рельсы железнодорожные, сваренные электроконтактным способом» (далее ТУ). Значения стрелы прогиба перед разрушением находились в диапазоне 30,1–41,0 мм, свидетельствуя об удовлетворительной пластичности соединения. Отметим, что один из образцов не разрушился при достижении предельного хода испытательной установки (41 мм) под нагрузкой свыше 2300 кН.

 Образцы после испытания сварного рельсового соединения выполненных по схеме статического поперечного трехточечного изгиба. Источник: Путь и путевое хозяйство

Испытания сварного рельсового соединения выполнены по схеме статического поперечного трехточечного изгиба, при положительных температурах окружающего воздуха в соответствии с ТУ 24.10.75-369-01124323-2019 «Рельсы железнодорожные, сваренные электроконтактным способом».

Выбор схемы статического поперечного изгиба в качестве основного метода контроля обусловлен его высокой информативностью для моделирования сложного напряженно-деформированного состояния рельса в пути. При движении высокоскоростного подвижного состава стык испытывает знакопеременные изгибающие и контактно-ударные нагрузки.

Испытание на статический изгиб позволяет с высокой степенью достоверности оценить:

1. Несущую способность сварного соединения через величину разрушающего момента, что косвенно может коррелировать с сопротивлением усталостному разрушению,

2. Запас пластичности через величину прогиба, критически важный для подавления развития трещин и хрупкого разрушения в условиях низких температур,

3. Качество сварки по всей площади сечения, так как разрушение происходит по наиболее слабой зоне (металл шва, зона термического влияния, основной металл).

Таким образом, соответствие механических характеристик сварного стыка нормам для цельнокатаного рельса является ключевым критерием, гарантирующим безопасность и долговечность высокоскоростного пути.

При испытаниях на статический поперечный трехточечный изгиб контрольный образец должен иметь длину не менее 1200 мм со сварным стыком по середине. Нагрузку прикладывают по середине пролета в месте сварного стыка с расстоянием между опорами 1 м. Один образец испытывают с приложением нагрузки на головку рельса (подошва в растянутой зоне), второй – на подошву (головка в растянутой зоне).

Для интерпретации полученных экспериментальных данных, рельс рассматривается как балка, лежащая на двух опорах, с сосредоточенной нагрузкой, приложенной в середине пролета. В рамках данной расчетной схемы максимальный изгибающий момент в сечении сварного соединения определяется по формуле (F – приложенная нагрузка (Н),  L – расстояние между опорами (м)):

M = F*L/4.

Связь между изгибающим моментом и максимальными нормальными напряжениями в сечении рельса описываются универсальным соотношением плоского упругого изгиба (W – момент сопротивления поперечного сечения рельса (м3), определяемый геометрией профиля):

σ = M/W.

Анализ деформационных характеристик выполняется по значениям стрелы прогиба в середине пролета с использованием уравнения для двухопорной балки при центральной нагрузке (Е – модуль упругости рельсовой стали (Н/м2), I – момент инерции поперечного сечения рельс (м4)):

Применение указанных зависимостей направлено на сопоставление экспериментальных результатов испытаний с расчетными представлениями о работе рельса как несущего элемента пути. Полученные значения разрушающей нагрузки и стрелы прогиба подтверждают соответствие прочностных и деформационных характеристик сварного соединения требованиям, предъявляемым к рельсам категории ДТ350 в соответствии с ТУ. График процесса нагружения с приложением нагрузки на головку рельса (подошва в растянутой зоне), представлен на рисунке ниже.

Макроструктурный анализ изломов подтвердил отсутствие в металле шва внутренних дефектов, таких как непровары, посторонние включения и трещины. Высокая повторяемость результатов в серии экспериментов подтверждает стабильность и воспроизводимость выбранного технологического режима сварки.

Проведенная работа по разработке и испытанию мобильного рельсосварочного комплекса на базе модернизированной головки МСР–120.01А У1 позволяет сформулировать следующие выводы.

Применимость в модульной конструкции автомотрисы. Разработанная технология мобильной стыковой сварки, основанная на методе контактной сварки оплавлением, адаптирована для использования в составе модульной платформы или специализированной машины для сварки рельсов в пути. Ключевым научно-техническим достижением комплекса является его модульность. Благодаря применению быстроразъемных соединений, он может быть оперативно интегрирован в гидравлическую и электрическую системы автомотрисы. Комплекс также может питаться от штатной дизель-генераторной установки машины. Другими важными компонентами являются система точного позиционирования и цифровая система управления с обратной связью. Их внедрение позволило стабилизировать тепловой цикл сварки — основной фактор, определяющий структуру и свойства металла в зоне соединения.

Обеспечение качества. Модернизация за счет внедрения новой электронной системы управления сварочного оборудования обеспечила необходимую для ВСМ стабильность технологического режима и точность контроля параметров (силы осадки, напряжения, вылета электродов). Это является главной причиной высокой повторяемости результатов, что исключает «человеческий фактор» и гарантирует стабильное качество каждого стыка.

Предел прочности при статическом изгибе (2182,6–2307,3 кН) удовлетворяет требованиям ТУ и достигает уровня прочности основного металла, что свидетельствует об отсутствии ослабляющего эффекта от сварки.

Высокие показатели пластичности (прогиб 30,1 – 41,0 мм) обусловлены оптимальным термомеханическим циклом, сформировавшим благоприятную структуру в зоне сварки. Это гарантирует высокое сопротивление динамическим и ударным нагрузкам сварного стыка в процессе эксплуатации.

Макроструктурный анализ подтвердил отсутствие внутренних дефектов (непроваров, включений, трещин), что является прямым следствием правильно подобранного режима оплавления и усилия осадки.

Технологическая готовность. Высокая повторяемость результатов в серии экспериментов подтверждает технологическую воспроизводимость и надежность предложенного решения, что является обязательным условием для его промышленного внедрения. Основной причиной успеха следует считать комплексный подход, объединивший модернизацию оборудования, разработку регламентированной технологии и ее валидацию через проведение опытных сварок с отработкой режима и подтверждение стабильных результатов в серии испытаний.

Таким образом, представленное решение является научно и технически обоснованным. Его эффективность обусловлена цифровизацией управления процессом, обеспечивающей стабильность, и оптимальным термомеханическим циклом, формирующим структуру с требуемым балансом прочности и пластичности. Комплекс соответствует стратегическим задачам по созданию отечественной технологической базы для обслуживания ВСМ и готов к практической реализации в рамках проекта ВСМ Москва – Санкт-Петербург.

Дальнейшие работы должны быть направлены на интеграцию модуля в состав опытного образца путевой техники и проведение натурных эксплуатационных испытаний, включая исследования усталостной долговечности и остаточных напряжений в профильных проектно–конструкторских и испытательных центрах РЖД.

Авторы:
Владимир Милорадович, начальник центра аналитики по машиностроительному комплексу «Калугапутьмаш»
Александр Пикалов, директор по развитию «Калугапутьмаш»
Руслан Новиков, директор «СКТ Инжиниринг»
Михаил Мартынов, главный специалист по сварке ЗСМК ЕВРАЗ