CC BY
62
УДК 629.4.14.3-726 Давыдов Юрий Анатольевич,
д. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Электроподвижной состав», Дальневосточный государственный университет путей сообщения, тел. (4212) 40-70-97, e-mail: puch@festu.khv.ru
Пляскин Артем Константинович, к. т. н., доцент, кафедры «Электроподвижной состав», Дальневосточный государственный университет путей сообщения, тел. (4212) 40-70-76, e-mail: pakinnov@festu.khv.ru Демин Павел Викторович, заместитель начальника Дальневосточной железной дороги - главный ревизор железной дороги по безопасности движения поездов, Хабаровск тел. (4212) 38-58-95, e-mail: rb@upr.dvgd.ru
РАБОТА АВТОСЦЕПНЫХ УСТРОЙСТВ ЛОКОМОТИВОВ НА ПЕРЕВАЛЬНЫХ УЧАСТКАХ
Yu.A. Davidov, A.K. Plyaskin, P. V. Dyomin
OPERATION OF LOCOMOTIVES COUPLERS ON THE MOUNTAIN
Аннотация. В статье рассматриваются этапы исследования технических объектов с помощью комплексной методики, объединяющей теоретические изыскания, моделирование работы устройств с применением систем автоматизированного проектирования и современных средств контроля параметров и обработки данных натурных испытаний. Проведено исследование работы автосцепного устройства локомотива с определением требуемых эксплуатационных характеристик.
Ключевые слова: локомотив, электровоз, автосцепка, автосцепные приборы, поглощающий аппарат, испытания; моделирование.
Abstract. The article considers the stages of research of technical objects using the complex method which links theoretical investigations, modeling of units operations with automated design engineering and modern ways of detecting parameters and actual testing data analysis. The analysis of locomotive automatic coupler work with determination of required operational characteristics was conducted.
Keywords: locomotive, electric locomotive, automatic coupling, automatic coupling devices, draft gear, testing, modeling.
При вождении тяжеловесных длинносостав-ных поездов возникает множество проблем, связанных с воздействием состава на верхнее строение пути, повышенным износом колес и рельсов, управлением тормозами, надежностью работы оборудования, критическими динамическими усилиями в автосцепках и рядом других факторов, влияющих на безопасность перевозок в целом.
Увеличение нагрузки на автосцепное обору-
дование является одним из ключевых факторов при оценке возможности увеличения массы поезда. При этом необходимо рассматривать продольно-динамические силы не только в голове и хвосте состава при подталкивании, но и в сечениях поезда, что обусловлено возможностью несинхронной работы групп локомотивов, обеспечивающих движение.
Обрывы автосцепок являются значительным нарушением безопасности, поэтому выяснение причин, приводящих к поломкам и повышенному износу автосцепного оборудования, имеет большое значение для эффективной работы локомотивного комплекса.
Опыт вождения тяжеловесных поездов на сложных перевальных участках, где перемещение поезда осуществляется системой электровозов по несколько секций с головы и хвоста, с применением рекуперативного торможения показывает, что силы, возникающие на автосцепках, могут существенно отличаться от расчетных значений. Следует также учитывать, что неприработанные и изношенные детали фрикционного аппарата полностью не компенсируют продольные силы.
Высокую степень нагрузки на автосцепное оборудование накладывают режимы вождения поездов. В результате неправильного торможения в масштабах сети дорог происходит 20...22 % обрывов автосцепок и большая часть - по вине локомотивных бригад. Кроме того, при отпуске тормозов по вине локомотивных бригад ежегодно допускается еще 19 % обрывов автосцепок. В обоих случаях обрывы сосредоточены во второй половине поезда, а при отпуске они увеличиваются к хвосту поезда [1].
иркутским государственный университет путей сообщения
Кроме эксплуатационных, весовых, режимных составляющих и различий протекания тормозных процессов во времени по всему составу на работе автосцепки сказывается состояние пути и его профиль. Наличие кривых малого радиуса и 8-образных кривых негативно влияет на дополнительные продольно-динамические силы в автосцепном устройстве. Это обстоятельство усугубляется тем, что режимная карта не содержит информации о величине дополнительных усилий, в результате это может повлечь за собой нарушение правил безопасного вождения поездов. Значительное влияние на эксплуатационные характеристики и неисправность самой автосцепки оказывают сопряженные с ней устройства: поглощающий аппарат; розетка; хомут и стяжной ящик с упорами.
Исследования работы локомотивов разных серий, работающих на полигоне Карымская - порты Приморья (Находка - Восточная, Владивосток), проводимые с 2008 года, выявили ряд проблем, связанных с неисправностями и выходом из строя автосцепного оборудования. К основным установленным неисправностям относятся:
• ослабление амортизатора, ослабление цилиндра в корпусе поглощающего аппарата, просадка штока поглощающего аппарата;
• интенсивный износ упорных плит в месте контакта рабочей зоны поглощающего аппарата и упорной плиты автосцепки;
• износ стенок стяжного ящика (в большинстве случаев передний левый, задний правый относительно движения кабиной вперед);
• высокий износ корпуса хомута (в большинстве случаев левосторонний);
• высокий износ боковин корпуса поглощающего аппарата и уха корпуса (износ доходит до середины сечения стяжных шпилек);
• высокий износ упоров стяжного ящика в зоне контакта корпуса поглощающего аппарата (в большей степени износ наблюдается на передних упорах);
• износ нижней части розетки автосцепного устройства;
• трение, сопровождающееся износом верхней передней части корпуса хомута о накладку рамы кузова;
• заклинивание хомута автосцепки с распором в стяжном ящике (наблюдается у локомотивов, работающих в голове состава и локомотивов толкачей);
• установка сопряженных автосцепок локомотивов в «елочку» и длительная (более минуты)
работа без возврата в исходное состояние при разных режимах;
• удары и длительные прижатия головы автосцепки к передней части розетки с последующим обрывом цепочки рычага и изломом (скручиванием) межсекционных поликов.
Наиболее характерные примеры неисправностей автосцепных устройств приведены на рис. 1.
Рис. 1. Неисправности автосцепных устройств
Приведенные выше неисправности в значительной степени зависят от реализации максимальных тяговых и тормозных усилий, в том числе и в режиме рекуперации. Для моделирования сил, действующих на автосцепные устройства локомотива, рассмотрим установившийся режим движения. В этом случае усилия в ударно-тяговых приборах локомотива определяются внешними силами (тип подвижного состава, план, профиль пути, тип пути, климатические условия и т. д.) и силами инерции поезда.
Для расчетов использованы условия различных схем формирования тяжеловесного (грузового) поезда с электровозами 2ЭС5К, расчетный подъем - 28 %о, вес поезда на участке Уссурийск -Смоляниново - Находка - 6300 т (рис. 2).
Расчетная эпюра продольных сил, распределенных по длине поезда в режиме тяги, приведена на рис. 2. Распределение продольных усилий в головном сечении поезда и перед локомотивом,
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. _Экономика и управление_
ш
Рис. 2. Распределение продольных сил в поезде с подталкиванием (схема формирования
2*2ЭС5К + 2*2ЭС5К)
установленным в подталкивании поезда, определяется силами Fi и F2.
Для расчетов принимаем условия:
1. Длина вагона принята условной - 14 м (полувагон).
2. Максимальная масса локомотивов - 768 т.
3. Кривые (R) - 3%.
4. Ускорение движения (a) - 0,01м/с2.
5. Скорость (V = Vp) - 49,9 км/ч (учтена для определения удельного сопротивления поезда).
6. Звеньевой путь.
7. Длина поезда - (L) = const.
8. Масса поезда - (Q) - var.
Результаты расчетов для режима тяги представлены в табл. 1, режима торможения - в табл. 2.
Рассматривая данные, приведенные в табл. 2, необходимо учесть тот факт, что система МСУД, установленная на электровозах серии ЭС5К, позволяет осуществлять посекционное ограничение усилий на автосцепках локомотива в режиме торможения, не превышающее значения в 50 тс. Данный факт позволяет судить о том, что сила на сжатие в тяжеловесных поездах в голове
состава не превышает критическую.
Т а б л и ц а 1 Результаты расчета сил на автосцепке в режиме тяги
Масса Схема Сила
состава, т формирования на автосцепку, т
в голове в хвосте
3800 3+2 42,6 29,5
4305 3+2 46,9 32,5
4800 2*2+2 63,8 35,0
5306 2*2+3 48,0 37,3
5803 2*2+3 51,5 40,0
6300 2*2+2*2 42,1 42,1
Силы, действующие на автосцепные устройства в головной части и перед толкачом, в момент рекуперативного торможения электровозов работающих по схеме 2ЭС5К*2+2ЭС5К*2, равны. Полученные результаты сведены в табл. 3 и показаны на рис. 3.
Т а б л и ц а 2
Результаты расчета сил на автосцепке в режиме торможения
Масса Схема Сила на автосцепке головного Сила на автосцепке идущего
поезда форми- локомотива, тс первым толкача, тс
рования Скорость движения поезда в момент торможения, км/ч Скорость движения поезда в момент торможения, км/ч
3 20 40 60 3 20 40 60
3784 3+2 47,7 32,0 24,9 21,3 32,2 21,6 16,8 14,4
4312 3+2 48,2 32,3 25,1 21,5 32,4 21,7 16,9 14,5
4840 2x2+2 60,1 40,3 31,3 26,9 32,6 21,9 17,0 14,6
5280 2x2+3 60,6 40,6 31,6 27,1 45,0 30,2 23,5 20,1
5808 2x2+3 61,0 41,0 31,8 27,6 45,2 30,3 23,6 20,2
6336 2x2+3 61,4 41,2 32,0 27,6 45,4 30,4 23,7 20,3
6336 2x2+2x2 61,4 41,1 32,0 27,4 45,4 30,4 23,7 20,3
Т а б л и ц а 3 Результаты расчета сил, действующих на автосцепные устройства, при формировании электровозов 2^2 + 2 Х2 и массе состава Q = 6300
Схема Сила, действующая на автосцепки, т
формирования Скорость движения поезда
электровозов в момент торможения, км/ч
3 20 40 60
2*2 + 2*2 63,4 42,5 33 32,4
г, т
605040302010-
О = 6300 т
10
20
30
40
50
60
Рис. 3. Результаты расчета сил, действующих на автосцепные устройства, при схеме формирования
2ЭС5КХ2+2ЭС5КХ2 и массе состава О = 6300
В режиме тяги при схеме формирования электровозов 2*2 + 2*2 силы на автосцепке в головной части поезда и перед толкачом (Е1 и ^2) равны 42,1 т. В режиме экстренного торможения прямодействующим тормозом (4 секции) в зоне низких скоростей движения 1-15 км/ч на автосцепке головного локомотива, находящегося в сцепе с составом, силы достигают 63,4 т. С ростом скорости движения поезда в момент торможения силы снижаются до 32,4 т. МСУД ограничивает воздействие сжимающих сил при электродинамическом торможении на уровне не выше 50 тс, соответственно, превышения сжимающего воздействия на автосцепку в головной части состава нет. Стоить отметить, что экстренное торможение прямодействующим тормозом электровоза допустимо только при скоростях выше 15 км/ч.
Проведенные расчеты в целом подтверждают диапазон сил, возникающих на автосцепках головных и подталкивающих локомотивов на участке Смоляниново - Находка - Восточная, полученных в ходе опытных поездок [2]. Вместе с тем наблюдается значительное количество неисправностей автосцепного оборудования, которые приводят к нарушению требований технических условий, инструкций и норм безопасности движения поездов, применяемых в настоящее время.
Стоит отметить, что аналитическая и эмпирическая информация о состоянии автосцепного оборудования, получаемая путем осмотра и замеров параметров, определяет итоговое состояние
агрегатов, но не дает полного представления о природе возникновения дефекта. Для установления и устранения причин износа и выхода из строя оборудования необходимо создать математическую модель работы автосцепки и определить причины ее повышенного износа. Для разработанной в программном комплексе модели была сформирована сетка для использования метода конечных элементов, позволяющая проводить различные исследования с достаточной точностью (рис. 4) [3].
V, км/ч
Рис. 4. Модель автосцепки
По результатам исследований видно, что наибольшие напряжения возникают в сечениях, традиционно подверженных изломам в эксплуатации, и, кроме этого, автосцепка имеет изгиб в левую сторону, что в дальнейшем было подтверждено опытом эксплуатации.
Для исследования автосцепки хвостовик был жестко закреплен, и статические силы, воздействующие на нее, были направлены вдоль оси, перпендикулярно основным граням рабочей поверхности.
При нагрузке автосцепки различными статическим силами, вплоть до предельно допустимых, были получены напряжения в узлах сетки и статические деформации.
Наиболее характерные результаты приведены на рис. 5.
0
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. _Экономика и управление_
ш
Рис. 5. Результаты моделирования
Реализованное непрерывное наблюдение за состоянием автосцепного оборудования позволило выявить повышенный износ деталей автосцепного устройства и элементов кузова электровоза, вызванный перекосом хомута в стяжном ящике - односторонним (левым относительно кабины локомотива) смещением [4]. Также зафиксирован свободный ход поглощающих аппаратов разных серий. Видеорегистрация параметров работы автосцепки в процессе движения по кривым малого радиуса и 5-образным кривым показывает, что происходит перекашивание хомута автосцепки и корпуса поглощающего аппарата. В режимах тяги и рекуперации возникают силы, препятствующие возврату хомута автосцепки в исходное состояние даже после снятия усилий. Перекос сопряженных узлов автосцепки приводит к заклиниванию поглощающего аппарата и хомута, т. е. они устанавливаются в распор стяжного ящика по диагонали. Высокие динамические усилия, возникающие в составе, способны вывести автосцепку из заклиненного состояния, но происходит это с высокой степенью износа трущихся поверхностей. Усугубляется данный процесс еще и тем, что большое количество последующих возвратов происходит, как указано выше, на левую сторону (относительно кабины локомотива), соответственно, происходит интенсивный износ боковин стенок стяжного ящика.
Исследования работы локомотивов на горном профиле, работающих как в голове состава,
так и в подталкивании, показали, что при входе головного электровоза в режим торможения происходит вдавливание хвостовика автосцепки в упорную плиту и поднятие передней части хомута сопровождающиеся ударом о верхнюю усиливающую накладку стяжного ящика, о чем свидетельствуют следы сверхнормативного износа хомута и розетки стяжного ящика. На локомотивах-толкачах такой процесс наблюдается в условиях увеличения тяги в момент подталкивания [2].
Об этом же свидетельствуют и результаты, полученные на модели, что позволяет говорить о системности данного вида износа на перевальных участках при ведении тяжеловесных поездов.
Также следует отметить, что значительная часть аварий с поездами происходит в кривых малого радиуса, подъемах и уклонах, когда автосцепки занимают критическое положение друг относительно друга. Созданная модель позволит достоверно исследовать эти режимы с определением реальной картины рабочих процессов. Данный подход к исследованию важнейших узлов локомотива с применением современных технологий моделирования дает возможность выработать оптимальные методики эксплуатации агрегатов, обеспечивающих безопасность движения поездов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кравчук В. В. Основы технологии производства электрического транспорта : монография / В. В. Кравчук, А. К. Пляскин, М. Ю. Кейно. Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2012. 244 с.
2. Безопасность внедрения современных технологий лубрикации / Ю. А. Давыдов, А. К. Пляс-кин, М. Ю. Кейно, Г. В. Бокач, Е. А. Эрязов, С. Ц. Цыденов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 33. С. 159-164.
3. Автосцепка. Чертежи автосцепного устройства вагонов железных дорог широкой колеи / Про-ектно-конструкторское бюро Главного управления вагонного хозяйства ПМС СССР. М. : Транспорт, 1980. 208 с.
4. Измерительный комплекс для мониторинга режимов работы автосцепок электровоза / А.
B. Гуляев, Д. П. Козлов, М. Ю. Кейно, А. К. Пляскин // Вестник Института тяги и подвижного состава : материалы науч.-практ. конф. ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «Наука университета - инновации производства». Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2012.
C. 66-69.
