CC BY
34
УДК 629.4.027.5
АНАЛИЗ МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ ЭКСЦЕНТРИСИТЕТА КОЛЕС КОЛЕСНЫХ ПАР ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
ANALYSIS OF THE TECHNIQUE FOR CONTROLLING THE ECCENTRICITY OF WHEEL SETS OF ROLLING STOCK
В. И. Глухов1, В. К. Мехедов2
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2ОАО «Научно-исследовательский институт технологии, контроля и диагностики железнодорожного транспорта», г. Омск, Россия
V. I. Gluhov1, V. K. Mekhedov2
'Omsk State Technical University, Omsk, Russia 2Open Joint-Stock Company "Research Institute of the Railway Transport Control and Diagnostics», Omsk, Russia
Аннотация. В работе рассматривается проблема недостаточного ресурса колесных пар. Рассмотрены существующие направления решений обозначенной проблемы. Показано влияние геометрических характеристик колесных пар на ресурс подвижного состава и пути. Приведена используемая в мировой практике методика контроля эксцентриситета колес по кругу катания. В ходе теоретических исследований произведены расчеты составляющих неопределенности известной методики контроля. Из анализа расчетных данных следует, что наибольшие значения имеют неучтенные неопределенности отклонений расположения и формы базовых и измеряемых поверхностей, оцененные по типу А. Доказано, что контроль геометрических характеристик колесных пар производится с низкой достоверностью, поскольку неопределенность измерения превышает допускаемую в несколько раз. Результаты проведенных теоретических исследований подтверждают необходимость проведения дополнительных научных и прикладных работ для обеспечения достоверности контроля геометрических характеристик колесных пар.
Ключевые слова: методика измерения, колесная пара, геометрические характеристики.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-2-44-49
I. Введение
Колесная пара является основным элементом взаимодействия подвижного состава и пути. Ее ресурс, надежность и другие параметры в значительной степени определяют качество железнодорожных перевозок. В настоящее время основной проблемой является недостаточный ресурс колесных пар, поскольку эта проблема напрямую затрагивает экономические аспекты перевозочного процесса [1]. Проблема повышения ресурса колесных пар решается одновременно по разным направлениям: динамика взаимодействия «колесо-рельс» [2, 3]; повышение твердости колес и рельсов [4, 5]; оптимизация профилей колес и рельсов [6, 7]; лубрикация [8, 9] и многим другим [10]. Среди исследований российских и зарубежных авторов можно выделить исследования влияния геометрических характеристик колесных пар на ресурс подвижного состава и пути [11, 12]. Для оценки степени влияния геометрических характеристик колесных пар на обозначенную проблему предлагается произвести их анализ с точки зрения функционального назначения. Кроме того, провести оценку методики измерения эксцентриситета колес колесных пар на наличие неучтенных составляющих неопределенности измерения.
II. Постановка задачи
Вагонные колесные пары в мировой железнодорожной отрасли имеют одинаковую конфигурацию и в общем виде представляют из себя тело вращения, состоящее из двух колес, напрессованных на одну ось (рис. 1). Для обработки элементов колесной пары в торцах шеек предусмотрены центровые отверстия, являющиеся технологическими базами колесной пары. Основными конструкторскими базами являются поверхности катания колес с диаметрами по кругу катания d1 и d2. Круги катания - это условные сечения конических поверхностей катания на расстоянии 70 мм от внутренних граней. Следующим комплектом конструкторских баз являются шейки осей под буксовые подшипники Е и Ж. Внутренние грани создают комплект измерительных баз для поверхностей катания.
При оценке точностных характеристик базовых поверхностей колесных пар выявлено, что поверхности катания имеют допуски формы и расположения в 13-14 квалитетах точности, шейки под буксовые подшипники выполнены в седьмом квалитете точности, используя принцип инверсии баз, в качестве основных баз для проведения измерений выбираются шейки под буксовые подшипники. Достоверный контроль формы и расположения поверхностей катания относительно шеек под буксовые подшипники является важной составляющей надежности колесной пары при эксплуатации. Важной задачей является анализ неопределенностей, возникающих при проведении методики контроля эксцентриситета колес колесных пар.
Рис. 1. Колесная пара подвижного состава железных дорог
III. Теория
Эксцентриситет колеса ЕЕ (рис. 2) - это радиальное смещение оси поверхности катания колеса относительно оси ближайшей шейки колесной пары. В соответствии с ГОСТ Р 53442 [13], эксцентриситет является отклонением от соосности ЕРС относительно базовой оси.
- Допуск эксцентриситета устанавливается российскими и зарубежными стандартами и отраслевыми документами Railway Group Standard GM/RT2466 [14], ЦВ 3429 [15].
- Измерительный прибор является контрольным приспособлением. Он представляет собой стойку 1, которая своим призматическим основанием базируется по образующей шейки колесной пары, а упором 2 касается измерительной базы - внутренней грани колеса.
Рис. 2. Измерение эксцентриситета
Измерительное усилие создается вручную и составляет 1...3 Н. Измерение производится с помощью от-счетного устройства 3 в виде шкалы на штоке с ценой деления 1 мм и нониуса. Инструментальная неопределенность измерений прибора равна иин =0,1 мм. Измерительный наконечник штока расположен в плоскости круга катания колеса на расстоянии 70 + 0,1 мм от внутренней грани.
При измерении колесная пара устанавливается на рельсовую колею. Эксцентриситет круга катания определяется по полуразности наибольшего и наименьшего показаний отсчетного устройства приспособления за один оборот колесной пары в 10.. .20 точках круга катания.
Первая точка на поверхности катания должна быть помечена для того, чтобы последнее измерение было выполнено в этой же точке. Разность первого и последнего показаний не должна превышать 0,2 мм. Если разность показаний превышает 0,2 мм, то контроль производят повторно.
Расчет неопределенности, вызванной выбранной схемой измерения
Первая составляющая неопределенности, связанная с выбранной схемой измерения, зависит от перекоса +АЕ поверхности катания колеса (рис. 3).
Поверхность катания имеет ось, которая смещена в круге катания на эксцентриситет ЕЕ относительно общей оси шеек 24, и угловой перекос +ЛБ. Поэтому эксцентриситет является переменной величиной в пределах длины образующей 1 изм.
В соответствии с документом РД 32 ЦВ 058 - 97 [13], проводя измерения в среднем сечении, находят среднее значение ББср. Необходимо найти максимальное значение ББнб. Следовательно, первая составляющая
неопределенности, связанной с выбранной схемой измерения исх 1 = Г(АЕ) будет равна:
исх.1 = ЕЕср - ЕЕнб = -АЕ • 0,51Изм = -0,5ЕРА.
Так как ЕРАd = 2ЕЕг, то исх 1 = -ЕЕг = -0,5мм.
Отклонение от параллельности осей колеса и оси ЕРА не определяется при измерении эксцентриситета, поэтому неопределенность исх г имеет случайную составляющую Исх г = -0,25 + 0,25мм .
Рис. 3. Схема расчета неопределенности, вызванной выбранной схемой измерения
Вторая составляющая неопределенности исх 2, связанной с выбранной схемой измерения, зависит от овальности круга катания ТFd.
По определению эксцентриситет определяется в радиусном выражении, следовательно, вторая составляющая неопределенности, вызванной выбранной схемой измерения, будет равна половине допуска ТFd на диаметр
Исх 2 = 0,5ТБа = 0,5 -1,0 = 0,5мм.
Поскольку это случайная величина, то : исх 2 = 0,25 + 0,25мм .
Неопределенность измерения, вызванная базированием прибора
Неопределенность измерения, вызванная базированием прибора ибаз = f(0), возникает из-за угла перекоса 0 шейки оси колесной пары, являющейся измерительной базой (рис. 4), на которую устанавливается прибор
Ибаз = 10
0 = TPS/12,
где TPS - допуск соосности;
1 - расстояние между плоскостями круга катания и центром шейки оси; 12 - длина шейки оси.
Рис. 4. Схема образования неопределенности измерений, связанной с базированием прибора
и баз = ТРБ— = 0,07 250 = 0,1мм. баз и 150
Это случайная величина, поэтому ибаз = 0,05 + 0,05мм.
Неопределенность измерения, возникающая в результате силовых деформаций
Данная неопределенность Uс создается упругими деформациями штанги прибора от воздействия измерительного усилия Ризм, с которым измерительный наконечник давит на поверхность колеса в соответствии с рис. 5, ДРизм = +Fтр . Измерительное усилие создается рукой оператора, поэтому принимаем, что перепад измерительного усилия составит APизм = +5 Н.
- Неопределенность, возникающая в результате силовых деформаций Дс, вычисляется по формуле 1
Дс = ^ДР) =
E
Г S
—+-
V 7
]_
37
Л
(1)
к ;
где Ршр - сила трения (измерительное усилие);
Е - модуль упругости стойки 1 и кронштейна 2 ;
7, ^ - моменты инерции поперечного сечения стойки 1 и кронштейна 2 измерительного прибора.
Рис. 5. Образование неопределенности измерения, возникающей в результате силовых деформаций
Числовое значение неопределенности составляет:
450 250 "
■ +-г =+0,03 мм .
5 2502^ ЛСЛ тел Л
А, = + - '
2 '105
ч3,2 '104 3 '1,3 '104 ,
Контактными деформациями в зоне контакта измерительного наконечника с поверхностью колеса и упругими деформациями колесной пары под действием измерительного усилия и веса прибора можно пренебречь, ввиду их незначительных величин.
IV. Результаты исследования
Измеряемая величина - эксцентриситет оси поверхности катания колеса относительно оси шейки колесной пары. Допуск эксцентриситета равен ТЕ = 0,5 мм в соответствии с отраслевым нормативным документом ЦВ 3429. Допускаемая неопределенность измерения составляет ТЕе = 30 % ТБ = 0,3 - 0,5 = 0,15 мм. Суммарная неопределенность измерения, оцененная по типу А, рассчитывается по формуле:
и = д/и ин2 + и сх.12 + и сх.22 + и баз2 + и с 2 =40,01 + 0,0625 + 0,0625 + 0,0025 + 0,0009 = 0,37мм; Суммарная неопределенность измерения, оцененная по типу Б, рассчитывается сложением составляющих:
и = Йсх.1 + и сх.2 + Йбаз = -0,25 + 0,25 + 0,05 = +0,05 . Предельная неопределенность вычисляется по формуле и = |и| + |и| и составляет 0,42 мм.
V. Обсуждение результатов
В ходе анализа методики контроля эксцентриситета колес выявлено, что предельная неопределенность измерения 0,45 мм в 3 раза превышает допускаемую 0,15 мм. Основная неопределенность измерения приходится на неопределенности, оцененные по типу А. Составляющие неопределенности измерения сведены в табл. 1.
ТАБЛИЦА 1
НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ЭКСЦЕНТРИСИТЕТА КОЛЕСА
Неопределенность Числовое значение неопределенности, мм
Неопределенность, оцененная по типу А +и Неопределенность, оцененная по типу Б и
Инструментальная неопределенность измерений прибора и ин +0,10 -
Неопределенность, связанная с выбранной схемой измерения: исх.1 ; +0,25 -0,25
исх.2 ; +0,25 +0,25
Неопределенность измерения, вызванная базированием прибора и баз +0,05 +0,05
Неопределенность измерения, возникающая в результате силовых деформаций и с +0,03 -
Суммарная +0,37 +0,05
Предельная 0,42
Допускаемая 0,15
Для исключения влияния случайных составляющих неопределенности, а также для приведения отраслевой документации к общероссийским и международным нормам, разработаны предложения по повышению достоверности контроля формы и расположения поверхностей катания колес, относительно шейки колесной пары:
- необходимость замены устаревшего термина «эксцентриситет» на соответствующий ему стандартизованный термин «соосность» в соответствии с ГОСТ Р 53442-2015;
- замена допуска эксцентриситета (соосности) в радиальном выражении, как неконтролепригодного на допуск радиального биения, имеющий диаметральное выражение и включающий отклонения от круглости поверхности катания;
- переработка методики измерения и создание на её базе нового прибора, позволяющего использовать в качестве базы общую ось шеек под буксовые подшипники и производить измерение поверхности катания в двух крайних сечениях.
VI. Выводы и заключение
В результате проведенной работы выявлено, что ресурс колесных пар определяется множеством факторов и в настоящее время нельзя утверждать, что какой-либо из факторов является превалирующим. Наименее изученным направлением является метрологическое обеспечение жизненного цикла колесных пар. Анализ методики контроля эксцентриситета колес колесных пар показывает, что контроль геометрических характеристик колесных пар осуществляется с низкой достоверностью, неопределенность измерения превышает допускаемую в несколько раз. Наибольшие значения имеют неучтенные неопределенности отклонений расположения и формы базовых и измеряемых поверхностей. Результаты работы показали, что для обеспечения достоверности контроля геометрических характеристик колесных пар целесообразно выполнить научно-исследовательскую и опытно-конструкторскую работу с целью разработки средств измерений и нормативно-технической документации, удовлетворяющей современным требованиям метрологии.
Список литературы
1. Обеспечение безопасной эксплуатации колес // Железные дороги мира. 2018. № 1. С. 59-63.
2. Савоськин А. Н., Васильев А. П. Дислокационная модель взаимодействия колеса и рельса при реализации вращающего момента и при боковых колебаниях экипажей // Известия ПГУПС. 2017. № 1. С. 103-109.
3. Moreau A. Characteristics of wheel/rail contact // Rail Engineering. International Edition. 1992. № 3. P. 15-22.
4. Шур Е. А. К вопросу об оптимальном соотношении твердости рельсов и колес // Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути: материалы науч.-практич. конф. ВНИИЖТ. М., 2003. С. 87-93.
5. Paul Molyneux-Berry, Claire Davis, and Adam Bevan. The Influence of Wheel/Rail Contact Conditions on the Microstructure and Hardness of Railway Wheels // The Scientific World Journal Volume. 2014, Article ID 209752. Р. 16.
6. Влияние лубрикации на взаимодействие подвижного состава и пути // Железные дороги мира. 2005. №
9. С. 74-78.
7. Waara P. Lubricant influence on flange wear in sharp railroad curves // Industrial lubrication and tribology. 2001. Vol. 53, no. 4. P. 161-168.
8. Максимов И. Н. Профиль поверхности катания колес для высокоскоростных поездов // Железнодорожный транспорт. 2014. № 11. С. 50-52.
9. Lin F., Dong X., Wang. Y. Multiobjective optimization of CRH3 EMU wheel profile // Adv Mech Eng. 2015. Vol. 7. Р. 1-8.
10. Буйносов А. П. Основные причины интенсивного износа бандажей колесных пар подвижного состава и методы их устранения: науч. издание. Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2009. 224 с.
11. Власьевский С. В., Панченко А. А., Тен Е. Е. Математическое моделирование колесной пары подвижного состава с дефектом // Электроника и электрооборудование транспорта. 2012. № 1. С. 2-8.
12. A study of railway wheel profile parameters used as indicators of an increased risk of wheel defects: Matthias Asplund, Mikael Palo, Stephen Famurewa, Matti Rantatalo // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit published. Online 17. July 2014. URL: http://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/0954409714541953.
13. ГОСТ Р 53442-2015 Основные нормы взаимозаменяемости. Характеристики изделий геометрические. Установление геометрических допусков. Допуски формы, ориентации, месторасположения и биения. М.: СТАНДАРТИНФОРМ, 2016. 91 с. (ISO 1101:2017 Geometrical product specifications (GPS) - Geometrical tolerancing - Tolerances of form, orientation, location and run-out).
14. ЦВ/3429 Инструкция по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колесных пар. 1977. М., 135 с.
15. РД 32 ЦВ 058-2016 Методика выполнения измерений при освидетельствовании колесных пар вагонов колеи 1520 мм. М., 2016.
