CC BY
133
5. Коноваленко Д.В. Рациональные режимы сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин. 2007. С.53-59.
6. Халина Т.М. Теоретический анализ и расчет электрической проводимости многоэлектродных низкотемпературных композиционных электрообогревателей. 2001. С. 57-62.
7. Патент №2094957 Российская Федерация. Степаненко Б.Г., Осипов Б.А., Першиков В.Н., Левит Р.М., Беркович М.Д. Зыбцева С.Я. Многослойный нагревательный элемент -1997.
УДК 629.46.027.2.015:625.032.5
АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИИ СОВРЕМЕННЫХ ТЕЛЕЖЕК ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ В КРИВЫХ УЧАСТКАХ ПУТИ И ПРЕДЛАГАЕМОЕ РЕШЕНИЕ ПО УЛУЧШЕНИЮ ИХ РАБОТЫ
Е.В.Чупраков1, О.В.Мельниченко2, А.Н.Танцурин3, В.В.Павлов4
1,2Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
3Восточно-Сибирская дирекция по ремонту грузовых вагонов - филиал ОАО «РЖД», 664013, г. Иркутск, ул. Академика Образцова, 35. 4Дорожный центр обучения ВСЖД - филиала ОАО «РЖД», 664020, г. Иркутск, Воинская площадка, 31.
Обоснована необходимость поиска первопричин проблемы обеспечения устойчивого взаимодействия системы «колесо-рельс» в самой организации работ ходовых частей вагона. Выполнен обстоятельный анализ поведения элементов конструкции современной типовой тележки модели 18-100 при движении в кривом участке пути. Приведены схемы вписывания рамы тележки вагона в плане пути в кривой участок пути с подробным рассмотрением сил взаимодействия челюстей боковин с буксовыми узлами. Выявлены основные причины и их следствия по ухудшению горизонтальной динамики вписывания подвижного состава и расстройства системы взаимодействия «колесо-рельс». Предложено техническое решение для улучшения устойчивого взаимодействия системы «колесо-рельс».
Ил. 6. Библиогр. 8 назв.
Ключевые слова: взаимодействие пути и подвижного состава; тележка вагона; колесная пара; колесо; рельс; износ.
EXPLOITATION ANALYSIS OF MODERN FREIGHT CAR BOGIES IN THE CURVED TRACKS AND THE PROPOSED SOLUTION TO IMPROVE THEIR OPERATION E.V. Chuprakov, O.V. Melnichenko, A.N. Tantsurin, V.V. Pavlov
Irkutsk State University of Railway Engineering, 15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074.
East Siberian Directorate for the repair of freight cars - Branch of PLC "Russian Railways", 35, Academician Obraztsov St., Irkutsk, 664013.
Road Educational Center of East-Siberian Railway - Branch of PLC "Russian Railways", 31, Military Court, Irkutsk.
The paper justifies the necessity to find the original causes of the problem to ensure stable interaction of the "wheel-rail" system in the very organization of car running parts operation. A detailed analysis of the behavior of the structural elements of a typical modern bogie of the model 18-100 during travelling in a curved track is performed. The authors present the schemes of the car bogie frame performance on the curved section of a track with the detailed examination of the interaction forces of side horn blocks with the axle-box equipment. The basic causes and their effects on the deterioration of the horizontal dynamics of rolling stock performance, and thus the failure of the "wheel-rail" interaction system are revealed. A technical solution to improve the stable interaction of the "wheel-rail" system is proposed. 6 figures. 8 sources.
Key words: interaction of tracks and rolling stock; car bogie; wheelset; wheel; rail; wear and tear.
1Чупраков Егор Владимирович, ассистент, заведующий лабораторией кафедры электроподвижного состава, тел.: 89025768319, e-mail: chuprakov_ev@irgups.ru
Chuprakov Egor, Assistant , in charge of the Laboratory of the Department of Electric Rolling Stock, tel.: 89025768319, e-mail: chuprakov_ev@irgups.ru
2Мельниченко Олег Валерьевич, кандидат технических наук, доцент, преподаватель кафедры электроподвижного состава, тел.: 89021702437, e-mail: melnichenko@irgups.ru
Melnichenko Oleg, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Lecturer of the Department of Electric Rolling Stock, tel.: 89021702437, e-mail: melnichenko@irgups.ru
3Танцурин Алексей Николаевич, главный инженер Восточно-Сибирской дирекции по ремонту грузовых вагонов, тел.: 89500844495, e-mail: alex_siberia@yandex.ru
Tantsurin Aleksei, Chief Engineer of the East Siberian directorate for repair of freight cars - JV TSDRV, tel.: 89500844495, e-mail: alex_siberia@yandex.ru
4Павлов Виктор Валерьевич, преподаватель, тел.: 89025699759, e-mail: vikrot@bk.ru Pavlov Victor, Lecturer, tel.: 89025699759, e-mail: vikrot@bk.ru
Последние 25 лет на российских железных дорогах обострилась проблема устойчивого взаимодействия системы «колесо-рельс». На эту проблему компания ОАО «РЖД» ежегодно выделяет огромные средства, исчисляемые в млрд руб. Используемые в настоящее время способы и средства, направленные на её решение, сосредоточены в основном на двух направлениях, а именно: увеличение твердости колёс и рельсов (термическое упрочнение или нанесение износостойких покрытий) и непосредственное нанесение различных смазок на поверхности катания в узел взаимодействия колеса и рельса. Данные средства в основном решают следствие проблемы, а не ее причину. Несложно предположить, что первопричина проблемы скрыта в самой организации работ ходовых частей вагона.
По этому поводу рассмотрим наиболее распространенную конструкцию ходовых частей грузового вагона, применяемую в настоящее время. Они являются наиболее ответственными узлами, служат опорой экипажа на путь и обеспечивают их взаимодействие в движении. От конструкции ходовых частей в значительной мере зависит безопасность движения экипажа и плавность его хода. Ходовые части всех ныне строящихся вагонов объединяют в самостоятельные узлы, называемые тележками. Основными элементами тележек являются колесные пары с буксовыми узлами, узлы упругого подвешивания с гасителями колебаний, узел опоры кузова на тележку, тормозные устройства и рама тележки, связывающая все ее элементы в единую конструкцию ходовой части [1]. Благодаря возможности размещения в тележках нескольких последовательно расположенных рессорных систем в сочетании с разными типами гасителей колебаний и устройствами для устойчивого положения кузова создаются условия для достижения хорошей плавности хода вагона.
В настоящее время современные грузовые вагоны железных дорог России в основном имеют трехэлементные бессвязевые двухосные тележки модели 18100 (ЦНИИ-ХЗ-О), массовое строительство которых началось в 1956 году. Тележка 18-100 состоит из двух колесных пар 1 и боковых рам 2, двух комплектов упруго-фрикционного рессорного подвешивания 3 и деталей тормозной рычажной передачи 12 (рис. 1). Каждая из рам выполнена в виде стальной отливки, в средней части которой расположен проем для рессорного комплекта, а по концам - проемы для буксовых узлов 4-х колесных пар. По бокам среднего проема в верхней части боковины тележки расположены направляющие 5 для ограничения поперечного перемещения фрикционных клиньев гасителя колебаний 6, а внизу - опорная поверхность 7 для установки рессорного комплекта (Вид А на рис. 1). Литая надрес-сорная балка 8 тележки отлита заодно с подпятником 9, опорами для размещения скользунов 10, наклонными поверхностями для фрикционных клиньев 11 и приливом 13 для крепления кронштейна мертвой точки тормозной рычажной передачи. В рассматриваемой тележке обе колесные пары конструктивно связаны.
Конструкция каждой колесной пары состоит из жестко насаженных на ось колес.
—XI. \LL\JL
Рис. 1. Конструкция типовой тележки модели 18-100
При движении данной тележки в кривых участках длина пути внутренней рельсовой нити короче наружной и колеса вагона, катящиеся по внутреннему рельсу, должны проходить меньший путь, чем колеса, катящиеся по наружному рельсу, в результате чего происходит их проскальзывание по рельсу [2].
Для приведения тележки в движение со скоростью и, к ее подпятнику (центральной опоре) необходимо приложить движущую силу Q (рис. 2). В результате при входе тележки в кривой участок пути радиусом Ркр, первая по ходу движения колесная пара набегает гребнем наружного колеса на внутреннюю грань головки рельса и в точке контакта гребня и рельса возникает направляющее усилие Y1, которое заставляет поворачивать тележку в кривой. Величина направляющего усилия будет зависеть от преодоления сил трения проскальзывания Ртр в точках контакта поверхности колес и рельсов, а также величины угла Y перекоса колесной пары и угла а набегания гребня колеса на головку рельса (рис. 2).
Условно движение тележки в кривых участках пути можно представить как непрерывную сумму двух движений: поступательного по направлению продольной оси тележки и вращательного вокруг некоторой точки П (мгновенного полюса вращения). Этот полюс является основанием перпендикуляра, опущенного из центра кривой пути на продольную ось тележки, проходящую перпендикулярно оси колесной пары через ее середину (рис. 2).
Рис. 2. Расчетная схема вписывания типовой тележки модели 18-100 в кривой участок пути
При движении тележки между поверхностью катания колес и рельсами возникают силы трения Ftr, которые условно приложены в точках контакта поверхностей катания колес и рельсов и направлены в противоположную сторону движения перпендикулярно прямой, соединяющей соответствующие точки контакта с мгновенным полюсом вращения П.
Силу трения в точке колеса и рельса Ftr можно разложить на продольную Н и вертикальную V составляющие (рис. 2). В итоге к внутренним колесам соответственно первой и второй по ходу колесным парам прикладываются силы Н1в и Н2в, обусловленные опережением (забегом) колес на внутреннем рельсе, а также силы Н1н и Н2н, приложенные к осям над наружным рельсом, обусловленные отставанием наружных колес при движении из-за продольных сил трения скольжения. Каждая пара продольных сил ^н, и
^н, ^^ приложенных соответственно к наружному и внутреннему колесу, образует соответственно на первой и второй колесных парах разворачивающие моменты М1 и М2, направленные в обратную сторону вписывания тележки (рис. 3).
По своей конструкции бессвязевая тележка вагона модели 18-100 имеет упруго-фрикционную связь между боковыми рамами в горизонтальной плоскости. Это осуществляется благодаря поперечной упругости пружин рессорного подвешивания и горизонтальных сил трения клинового фрикционного гасителя колебаний. При этом поперечная жесткость и уровень связы-ваемости рам относительно друг друга являются недостаточными для обеспечения прямоугольной формы рамы тележки в плане пути из-за [3]:
- малого восстанавливающего момента М' на надрессорной балке (рис. 3), который образовывается
Рис. 3. Положение колесных пар в тележке при вписывании в кривой участок пути
поперечной упругостью пружин и горизонтальных сил трения между рабочими поверхностями фрикционных клиньев и надрессорной балкой; дополнительное уменьшение момента М' происходит из-за снижения или полного исключения сил трения во фрикционном гасителе колебаний в результате его существенного износа при движении вагона в порожнем состоянии;
- установки боковой рамы на буксу с зазорами, между буксами и челюстями боковин в поперечном направлении с1г и в продольном направлении с1п (рис. 4). Это дает возможность смещения одной боковины относительно другой на величину зазора при условии преодоления моментов М1 и М2, возникающих от сил трения между челюстями тележки и направляющими буксового узла.
Теперь рассмотрим поведение данной тележки в кривой. При ее входе в кривой участок пути под действием разворачивающих моментов М1 и М2 от продольных сил трения проскальзывания в точках контакта колес с рельсом происходит смещение боковых рам тележки относительно друг друга на величину б, достигающую в эксплуатации 30-35 мм на сторону (рис. 3).
Это продолжается до тех пор, пока буксовые узлы колесных пар не выберут зазоры с1г и с1п и не займут одно из крайних положений, а восстанавливающие моменты М', М1 и М2 между боковинами тележки в сумме не станут больше перекосных моментов М1 и М2. В результате поперечная линия, проходящая через центры боковин, сместится на угол в и тележка в плане пути примет форму параллелограмма (рис. 3). Как правило, дальнейшее смещение боковых рам прекращается в результате защемления корпусов буксовых узлов в челюстях боковин. Этот процесс заканчивается на первых метрах движения по криволинейному участку пути. Дальнейшее установившееся движение тележки в кривой происходит с фиксированными значениями угла р. В итоге происходит дополнительный перекос колесных пар на величину угла Y относительно линии радиуса кривой с увеличением угла набегания гребня колеса на боковую грань рельса а[3].
Установлено, что при движении вагонной тележки в кривых малого радиуса любое отклонение контура рамы от номинальной прямоугольной вызывает увеличение боковой нагрузки на рельсы [4]. В частности, силы бокового давления гребней колес на рельсы могут быть в шесть раз больше, чем при прямоугольной форме рамы, а поперечные касательные силы в точках контакта колес с рельсами увеличены более чем в четыре раза. А это означает, что в точках соприкосновения с рельсами поверхностей катания колес образуются контактно-усталостные повреждения в рельсовых нитях за счет локального изгиба и сдвига волокон поверхностного слоя, что вызывает боковой износ головок рельсов.
В результате получается, что для нормальной работы тележек современной модели 18-100, не имеющих жесткой поперечной связи между боковыми рамами, особое значение имеет величина зазоров с1г и с1п между направляющими корпуса букс 1 и направляю-
щими челюстей 2 проема боковой рамы тележки (рис.
4). Для улучшения качества хода тележки и работы узла взаимодействия колеса и рельса эти зазоры должны быть минимальными. Однако при минимальных зазорах может произойти защемление буксы в буксовом проеме вследствие забегания боковых рам, что может привести к появлению высоких напряжений в концевой части боковой рамы в зоне буксового проема. Поэтому последними рекомендациями для новых тележек, а также тележек, прошедших капитальный ремонт, эти зазоры ограничены размерами 5-12 и 511 мм [7].
Низкая поперечная жесткость тележки позволяет раме не только изменять прямоугольную форму со всеми вытекающими последствиями, но и дополнительно ухудшать условия работы буксовых подшипников качения. Увеличение зазоров с1г и с при сборке тележки позволяет только исключать случаи защемления корпуса буксы в проеме боковины, т.е. дает возможность обеспечивать рабочий радиальный зазор буксовых подшипников качения без их перекоса при установке колесной пары в боковину.
При движении тележки в кривом участке пути наряду с направляющим усилием Y1 и силами трения, действующими на рельсы, колесные пары передают раме тележки горизонтальные поперечные (рамные) силы Y1р и Y2р, при этом в данный момент особый интерес представляет работа буксовых подшипников качения (см. рис. 2). При более детальном изучении этого вопроса выявлено, что на работу подшипников влияет действие моментов М"1 и М"2 от сил трения между корпусами букс и проемами боковин тележки (рис. 4). На основании этого рассмотрим влияние данных моментов на первой колесной паре по ходу движения. Если ось колесной пары смещена на некоторый угол р относительно перпендикуляра к продольной линии боковины рамы тележки, то буксовый узел при передаче продольных сил трения Н1н и Н1в и реализации момента М'1 взаимодействует с челюстями тележки не по их периметру, а с некоторым перекосом (рис. 4). Если разложить силы Н1н и Н1в на продольные и поперечные составляющие, получим осевые Н1н осев, Н-|н осев и радиальные Н1в рад и Н-|в рад силы, воздействующие на подшипники качения.
Рассмотрим буксовый узел под действием момента М'1Челюсти боковых рам, стараясь сохранить форму рамы тележки, опираются о корпус буксового узла в горизонтальной плоскости, стараясь при этом стянуть буксовый узел с оси колесной пары. В результате перекоса боковых рам появляется дополнительная осевая сила Н1н осев, которая дополнительно увеличивает рамную силу У1р, в результате чего еще более ухудшаются условия работы подшипников (рис.
5). В результате изменяется осевой разбег у роликов подшипников качения 3 и 6 и подшипники через упорное кольцо 4 упираются в тарельчатую шайбу 5, закрепленную на оси четырьмя болтами (ось РУ-1Ш), или в корончатую гайку (ось РУ-1). Уменьшение осевого разбега отрицательно сказывается на работе подшипниковых узлов, а также постоянное давление подшипников на тарельчатую шайбу вызывает на оси
РУ-1Ш износ резьбового соединения болтов, а на оси РУ-1 - ослабление крепления корончатой гайки, срыв резьбы М110 крепления корончатой гайки, излом или нарушение крепления стопорной планки.
Рис. 4. Состояние буксовых узлов первой колесной пары по ходу движения при вписывании типовой тележки в кривой участок пути: а - наружный в кривой буксовый узел; б - внутренний в кривой буксовый узел
Действие момента М'1 изменяет радиальные зазоры на подшипниках качения и тем самым производит неравномерное распределение нагрузок на цилиндрических роликах подшипников (наиболее нагруженных роликах 6 и роликах 3, на которые приходится минимальная нагрузка), что приводит к их перекосу и интенсивному нагреву (рис. 5).
Рис. 5. Схема сил, действующих на буксовый узел при движении тележки в кривом участке пути
Постоянное изменение прямоугольной формы тележки в зависимости от направления кривой можно охарактеризовать как постоянно меняющуюся знакопеременную нагрузку, которая подвергает интенсивному износу соединительные поверхности корпуса буксы и челюстей боковины тележки, подшипников качения. К примеру, по сети дорог ОАО «РЖД» только за 2006-2010 год выявлено 48 случаев излома боковых рам тележек.
Дополнительно чрезмерное увеличение зазоров Сг и Сп снижает силы моментов М'1, М'2 между челюстями тележки и буксовым узлом при движении в прямых участках пути, что приводит к усилению колебаний виляния колесных пар и резко ухудшает динамику вагона. С другой стороны, чрезмерное уменьшение зазоров Сг и Сп при сборке приводит к ухудшению самоустановки колесной пары, заклиниванию буксы в проеме боковой рамы, что вызывает перегрузку подшипников с последующим их интенсивным нагревом.
Все это в целом существенно уменьшает надежность буксового узла, что в настоящий момент подтверждается лидирующей позицией 94,2% нарушения безопасности движения поездов, связанных с отцепками вагонов от грузовых поездов по причине нагревания буксового узла колесной пары [6].
В свою очередь, вышерассмотренная процедура перекоса боковых рам относительно друг друга влияет на работу клиновых гасителей колебаний. Оказывается, что при износе клиновых гасителей в допустимых пределах вертикальная динамика вагона изменяется незначительно [5]. Но как только образуется перекос п боковых рам тележки в кривых клиновые гасители резко ухудшают вертикальную динамику вагона, что негативно сказывается на состоянии пути и безопасности движения.
На основании проведенного анализа хотелось бы отметить, что типовая тележка при низкой начальной цене отличается высокой стоимостью обслуживания в эксплуатации и по современным требованиям недостаточной надежностью. Пробег между ремонтами не превышает 110 тыс. км, колесные пары требуют обточки уже через 20-50 тыс. км, в эксплуатации наблюдаются изломы боковых рам, отмечается положительная динамика схода с рельсов порожних вагонов [8].
В результате подведем итог путем выявления причин и следствий недостатков конструкции типовой тележки.
Причины:
а) применение в конструкции тележки типовых колесных пар, у которых колеса жестко закреплены на оси без возможности независимого вращения относительно друг друга, в результате чего при качении колес по рельсовой нити кривой неизбежно происходит продольное проскальзывание их по рельсу;
б) недостаточная поперечная жесткость связи и недостаточный уровень связываемости рам относительно друг друга.
Следствия:
а) увеличение углов набегания гребней колес на боковую грань рельса при движении в кривых участках пути, что увеличивает вероятность схода подвижного
состава с рельсового пути и в настоящий момент подтверждается положительной динамикой сходов с рельсов порожних вагонов;
б) значительные по величине силы бокового давления на рельсы гребней набегающих колес, вызывающие интенсивный боковой износ головки рельсов и гребней колес;
в) перекос буксовых узлов, вызывающий нагрев подшипников качения, что уменьшает надежность буксового узла и угрожает безопасности движения подвижного состава;
г) интенсивный износ соединительных поверхностей корпуса буксы и челюстей боковины тележки;
д) высокие колебания виляния колесных пар в прямых участках пути, резко ухудшающие динамику вагона;
е) преждевременная выбраковка колесных пар, которая влечет за собой дополнительные расходы на приобретение новых, а также на работы по их содержанию и формированию.
Устранение первопричин типовой конструкции тележки, ухудшающих устойчивое взаимодействие в системе «колесо-рельс», требует новых технических решений, кардинально меняющих организацию работ ходовых частей вагона. Одним из таких решений яв-
ляется разрабатываемая авторами в последние годы на кафедре электроподвижного состава ИрГУПС новая конструкция оси колёсной пары вагона, обеспечивающая независимость вращения колес, которая устанавливается на место типовых колесных пар в тележке вагона и позволяет значительно снизить продольное проскальзывание колес при движении в кривых участках пути (рис. 6).
Предлагаемая колесная пара включает в себя ось дифференциального исполнения, состоящую из двух полуосей - с полостью 3 и сплошного сечения 2. Полуось сплошного сечения выполняют цельной вместе с упорным буртом 7 таким образом, чтобы ее диаметр с12 в месте под подшипник скольжения 6 был больше или равен диаметру с под ступицу колеса 1. На конце полуоси 2 выполнены две шейки для посадки радиального 9 и упорного 10 подшипников скольжения.
Так как при равных наружных диаметрах вал полого сечения обладает меньшей массой в сравнении с валом сплошного сечения при одинаковой прочности (моментами сопротивления изгибу и кручению по сечениям). Для облегчения веса колесной пары полость полуоси 3 выполнена минимальной толщиной таким образом, что ее прочность была одинакова полуоси 2 из сплошного сечения.
Подшипник скольжения 6 вместе с лабиринтным кольцом 8 насаживаются со стороны колеса на полуось 2 до упора в бурт 7 на полуоси, с другой стороны на шейке производится монтаж радиального 9 и упорного 10 подшипников скольжения. Соединение полуосей осуществляется крышкой 5 при помощи болтов 4.
Крышка за счет выполненных на внутренней стороне проточек образует с лабиринтным кольцом 8 уплотнение (лабиринт), которое защищает подшипники от попадания пыли, влаги и грязи. Герметизация соединения крышки с корпусом подшипника осуществляется резиновым кольцом-прокладкой, которое одевается на крышку. Своим выступом крышка упирается в наружное кольцо подшипника 6. Независимость вращения колес у колесной пары обеспечивается подшипниками 6, 9 и 10.
Осевая целостность на растяжение колесной пары обеспечивается упорным буртом 7, выступом на крышке 5 и подшипником скольжения 6, способным воспринимать осевые нагрузки. Во время движения
колесной пары полуось 2 стремится выйти из полости полуоси 3 и упорным буртом 7 упирается во внутреннее кольцо подшипника 6, далее через поверхности скольжения колец подшипника усилие передается на наружное кольцо подшипника 6, которое упирается в выступ на крышке 5. Крышка 5 болтами 4 соединена с полуосью 3.
Согласно предварительным расчетам внедрение колесной пары вагона дифференциального исполнения дает следующие результаты:
- повышение ресурса колесных пар вагона и рельсов в кривых участках пути не менее чем на 28%;
- снижение количества сходов тележек вагона с рельсового пути на 25% при движении в кривых участках;
- уменьшение количества случаев нагрева буксовых узлов вагона в эксплуатации на 12%;
- снижение времени задержек движения поездов, связанных с браком системы «колесо-рельс» и тележек вагонов.
Библиографический список
1. Вагоны / под ред. Л.Д. Кузьмича. М.: Машиностроение, 1978. 376 с.
2. Лысюк В.С. Возвышение наружного рельса и воздействие колес // Путь и путевое хозяйство. 2007. №7. С. 11-13.
3. Вериго М.Ф. О взаимодействии пути и подвижного состава // Железнодорожный транспорт. 2001. № 5. С. 71-74.
4. Бабий О.А. Снижение интенсивности накопления повреждений рельсов в кривых малого радиуса: дис. ... канд. техн. наук: 05.22.06. М., 2002. 138 с.
5. Динамические нагрузки ходовых частей грузовых вагонов / под ред. Н.Н. Кудрявцева. М.: Транспорт, 1977. Вып. 572.
6. Саперов А.В. Как повысить надежность буксового узла // Вагоны и вагонное хозяйство. 2009. № 3.
7. Руководящий документ РД32 ЦВ 052-2005 Инструкция по ремонту тележек грузовых вагонов.
8. Новая тележка для грузовых вагонов / В.М. Бубнов [и др.] // Железные дороги мира. 2005. № 7.
