CC BY
55
свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / Е.А. Асламова, В.С. Бла-щинский, В.С. Асламова ; зарегистрир. 08.06.2016.
8. Асламова, Е.А., Блащинский В.С., Асламова В.С. Алгоритм автоматизированного расчета индивидуального профессионального риска организации // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-29 : сб. тр. XXIX Междунар. науч. конф. Т.2. Саратов ; Самара, 2016. С. 85-90.
9. Асламова Е.А., Блащинский В.С., Асламова В.С. Программа автоматизированного расчета индивидуального профессионального риска организации. Инструкция пользователя // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы Седьмой международ. науч.-практ. конф., посвящ. 355-летию со дня основания г. Иркутска. Т. 1. Иркутск, 2016. С. 113-118.
УДК 629.4.015 Ермоленко Игорь Юрьевич,
аспирант, кафедра «Вагоны и вагонное хозяйство», Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. +7 (9642) 218-082, e-mail: ermolenko_iy@irgups.ru Железняк Василий Никитович, к. т. н., доцент, заведующий кафедрой «Вагоны и вагонное хозяйство», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. +7 (9148) 969-792, e-mail: zheleznyak_vn@irgups.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ВАГОНА-ЛАБОРАТОРИИ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО СЛОЖНЫМ
УЧАСТКАМ ДОРОГИ ВСЖД
I. Yu. Ermolenko, V. N. Zheleznyak
STUDY ON DYNAMICS OF ROLLING STOCK USING AN EXPERIMENTAL LABORATORY CAR WHEN DRIVING ON DIFFICULT SECTIONS OF THE ROAD
Аннотация. В статье рассмотрены возможные силовые воздействия на рельс и колесо подвижного состав при прохождении сложного профиля участка пути. Определяющее внимание уделено проведенному исследованию с использованием вагона-лаборатории, поведению вагонов в составе с различной грузоподъемностью при использовании различных режимов торможения. Выработаны мероприятия, направленные на безопасную эксплуатацию подвижного состава. Для исследования на полигоне был выбран горный рельеф местности участка Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД). Изучены детально часто встречающиеся дефекты на поверхности рельса и отдельно дефекты на поверхности катания колеса. Исследованы тормозные колодки, их состояние и дефектность, что позволит в дальнейшем построить теоретические и эксплуатационные температурные поля для сопрягаемых поверхностей. Анализ полученной информации привязан к рельефу местности и профилю пути, который использован в теоретических исследованиях динамики колебания механической системы подвижного состава.
Ключевые слова: горный рельеф, безопасность движения, дефекты поверхности катания, боковая рама, надежность, конусность колесной пары, тормозная колодка, температурные поля, уклоны.
Abstract. The article discusses possible impact on the power rail and wheel rolling composition when passing complex profile plot path. Special the attention is paid to the study using laboratory-wagon, the behavior of wagons with different carrying capacity when using different modes of inhibition and activities aimed at the safe operation of the rolling stock. For our research we selected the mountain topography of the plot of the East Siberian Railway. Studied in detail common defects on the surface of the rail and a separate roll surface defects on the rims are studied in detail. Brake pads their condition and defects are investigated, which will allow to build theoretical and operational temperature fields for conjugated surfaces. Analysis of the received information is tied to the terrain and the profile path, which is used in theoretical studies of the dynamics of fluctuations of the mechanical system of the rolling stock.
Keywords: mountainous terrain, traffic safety, tread surface defects, lateral frame, reliability, durability, wheel pair taper, brake pad, temperature field, biases.
Введение № 092-70075 службы вагонного хозяйства Во-
На протяжении последних нескольких лет на сточно-Сибирской железной дороги. Полагаем, что разных участках дороги со сложным профилем нарастание силового воздействия от колес подвиж-пути ВСЖД активно начали проявляться дефекты, ного состава на участке сложного профиля пути со-связанные с разрушением болтов М20 крепления провождается увеличением контактных напряже-шайбы подшипникового узла буксы, разрывом бан- ний, которые оказывают значительное влияние на дажных колес и разрушением рельса. Раскрытие прочность рельса и колеса. В эксплуатации эти физической сущности разрушений подробно изла- факторы приводят к появлению дефектов, которые гались в трудах [1], и для подтверждения теорети- являются составляющей в безопасности движения. ческих исследований были проведены поездные испытания с использованием вагона-лаборатории
НТСМ ВНЕШН. ПРИЗНАКИ отк сдвиг
Рис. 1. Распределение количества неисправностей отцепленных вагонов 2013-2015 гг. по классам
Последние десятилетия вагон и путь подверглись неразумным экспериментам по загрузке вагонов 61 т - 72 т - 80 т, по снижению скорости движения поездов без изменения возвышения рельса, что естественно явилось последствием интенсивного бокового износа рельсов, гребней [2].
Рассмотрим количество отцепов грузовых вагонов по основным неисправностям на промежуточных станциях на участке Иркутск-Сортировочный - Слюдянка (рис. 1).
Основными неисправностями, которые были выявлены при обработке, являлись сдвиг корпуса буксы и ослабление торцевого крепления болтов М20 и их обрыв (рис. 2). Основной предполагаемой причиной указанных неисправностей является повышенный уровень силового динамического взаимодействия колеса и пути, особенно в поперечных направлениях.
в буксовом узле из-за нагрева после прохождения кривой малого радиуса.
Рис. 2. Обрыв головки болтов М20 торцевого крепления подшипников на шейке оси РУ1Ш
Нам неизвестно распределение температурных полей от взаимодействия поверхности катания колеса в контакте с поверхностью тормозной колодки. Фрагмент их взаимодействия показан на рис. 3.
На участке Иркутск-Сортировочный - Слю-дянка по показаниям аппаратуры КТСМ-02 «Тре-вога-1,2» отцеплено 886 вагонов с неисправностью
Рис. 3. Взаимодействие колодки с поверхностью катания колеса в режиме торможения
Транспорт
Моделирование пути
Предварительные исследования вертикальных и поперечных колебаний вагонов при движении по горному участку пути ВСЖД были проанализированы в статье [3]. Силы взаимодействия пути и подвижного состава, характер колебаний вагонов и локомотивов движущего поезда связаны с особенностями конструкции подвижного состава, и это фактически единая механическая система, которая перемещается относительно рельсового пути.
Вследствие непрерывно накапливающихся остаточных деформаций в механической системе, при изменении температурного режима (зимой и летом) свойства пути меняются как в пространстве, так и во времени и являются случайными величинами. Для расчета взаимодействия железнодорожного рельсового пути и подвижного состава часто решаемую задачу упрощают, принимая, в частности, в качестве расчетных некоторые осредненные (неслучайные) параметры [4].
Кривые малого радиуса всегда вызывают необходимость снижения скорости движения. Кроме того, в кривых значительно возрастает нагрузка на узлы и детали подвижной единицы, в том числе и на буксу за счет действия рамной силы [5].
К основным причинам, приводящим к появлению возмущений в вертикальной плоскости, относятся прежде всего дефекты поверхности катания колеса (ползуны), стыки, неравномерный (волнообразный) износ поверхности катания рельсов, просадки рельсовых нитей, неоднородность свойств нижнего строения пути по его длине. При различных скоростях на одних и тех же неровностях реакция рельсового экипажа на возмущения будет различной т. к. амплитудно-частотные характеристики являются функцией скорости [6].
Вертикальные и горизонтальные неровности пути являются основной причиной, вызывающей большие нагрузки при взаимодействии колес и рельсов. Таким образом, железнодорожный путь относительно вертикальной и горизонтальной плоскости представляет собой волнообразную линию с незакономерно (случайно) изменяющимися длинами и амплитудами волн.
В данной работе была математически смоделирована неровность пути на горном участке Восточно-Сибирской железной дороги (рис. 4), а именно на участке Большой Луг (5225 км) -Адриановская (5280 км).
На рис. 4, 5 представлено математическое моделирование горного профиля пути Большой Луг -Слюдянка с помощью дискретных рядов Фурье.
Рис. 4. График изменения неровности отклонения ниток колей вдоль пути на горном участке
Рис. 5. График изменения ширины колеи на горном участке
Моделирование движения по пути
Изучение динамики экипажа является сложной задачей. Даже при движении по прямому участку пути, когда движение осуществляется с малой скоростью, возникают проблемы, связанные с колебаниями виляния колесной пары (т. к. правое и левое колесо проходят разный путь по поверхности конуса) [7, 8].
Расчетная оценка динамических показателей вагонов поезда проводится путем решения нелинейных дифференциальных уравнений, представляющих динамическую модель его колебаний. Режимы движения вагонов (подпрыгивание, галопирование, боковой относ) по данному участку пути были смоделированы с помощью дифференциальных уравнений движения.
Дифференциальное уравнение подпрыгивания вагона:
т
(1)
где — ' ) - функция возмущения при подпрыгивании вагона.
Дифференциальное уравнение галопирования вагона:
4=—ф,Ч(),
I
(2)
У
где ) - функция углового перемещения при галопировании вагона.
Эти дифференциальные уравнения решались методом Рунге - Кутта четвертого порядка функцией rkfixed (рис. 6, 7), входящей в пакет, ориентированный на математические вычисления MathCAD. Для расчетов приняты параметры груженного углем 4-осного полувагона с тележками модели 18-100.
Рис. 4. Схема горного профиля пути Большой Луг - Слюдянка
Рис. 6. Изменения коэффициента вертикальной динамики при подпрыгивании вагона
Рис. 7. Изменения коэффициента вертикальной динамики при галопировании вагона
Рассчитываем максимальные коэффициенты вертикальной динамики вагона (рис. 6, 7) по формуле
Кдв = ^ДД- • (1 + ф) + ф, (3)
У ст
где /д - величина прогиба (деформации) связи; /ст - статический прогиб рессорного комплекта; ф - коэффициент трения.
Полученные значения сравниваем со значениями, по которым на железных дорогах России оцениваются динамические качества вагона (табл. 1) [4].
Полученные по формуле (3) данные:
- для подпрыгивания вагона Кдв = 0,863;
- для галопирования вагона Кдв = 0,579;
- максимальный коэффициент при подпрыгивании и галопировании одновременно Кдв = 0,828.
Исходя из полученных расчетных данных, можно предполагать, что динамика вагона оценивается условно «удовлетворительно».
Т а б л и ц а 1 Значения коэффициентов вертикальной _динамики_
Коэффициент дина-
Оценка хода вагона мики
верти- горизон-
кальный тальный
Отличный 0,20 0,08
Хороший 0,35 0,15
Удовлетворительный 0,45 0,25
Допустимый 0,65 0,35
Непригодный для регулярного движения >0,70 >0,40
Получение данных путем
натурных экспериментов
Для проведения эксперимента в качестве объекта исследования был выбран грузовой поезд № 2385 весом 5504 тс, состоящий из 17 полувагонов, 4 крытых вагона, 41 платформы, 2 специальных вагонов, всего осей 240, локомотива серии 3ЭС5К № 267, в хвосте состава локомотив серии 3ЭС5К № 458. Исследование проводилось посредством последовательного измерения нагрузок, возникающих в буксовых узлах при движении. Для этого в хвостовую часть поезда был прицеплен тор-мозоиспытательный вагон № 092-70075 службы вагонного хозяйства.
В результате экспериментов был получен большой массив эмпирических данных (рис. 8).
На рис. 8 записано сверху вниз: 1 - падение давления в тормозной магистрали поезда, 2 - скорость поезда, 3, 4 - нагрузки, возникающие в буксовом узле, 5 - продольная нагрузка на автосцепку.
Выводы
Полученные экспериментальные результаты согласуются с теоретическими расчетами,
Транспорт
0,003 8,390 17,176 23,761 34,347 42,932 31,317 60,103 68,688 77,274 83,839
Рис. 8. Фрагмент программы измерения нагрузок, возникающих в процессе движения
указывая на то, что при движении на исследуемом участке с кривыми малого радиуса (Я < 350 м) из-за возможного забегания боковых рам может быть подклинивание подшипников в буксе, что сопровождается их нагревом и срабатыванием КТСМ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ермоленко И.Ю., Железняк В.Н., Мартыненко Л.В. Раскрытие физической сущности образования дефектов на поверхности катания колеса в условиях его эксплуатации горного рельефа местности // Транссиб: на острие реформ : материалы междунар. науч.-практ. конф. Иркутск, 2016. Т. 2. С.137-143.
2. Ермоленко И.Ю., Железняк В.Н., Санникова Е.Г. Влияние силовых воздействий, обусловленных рельефом пути, на эксплуатационную надежность буксовых узлов тележки модели 18100 на примере горно-перевального участка ВСЖД // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы Шестой междунар. науч.-практ. конф. Иркутск, 2015.
3. Ермоленко И.Ю. Исследование вертикальных и поперечных колебаний вагонов при движении
по горному участку пути ВСЖД // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы Седьмой междунар. науч.-практ. конф. Иркутск, 2016.
4. Вершинский С.В., Данилов В.Н., Хусидов В.Д. Динамика вагонов. М. : Транспорт, 1991. 360 с.
5. Железняк В.Н., Ермоленко И.Ю., Ковенькин Д.А. Анализ собственных колебаний боковых рам тележек модельного ряда 18-100 при силовом воздействии, обусловленных рельефом горного пути и дефектами на поверхности катания колесо-рельс // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2015. № 4 (48). С. 20-24.
6. Мямлин С.В. Моделирование динамики рельсовых экипажей. М. : Новая идеология, 2002. 240 с.
7. Гарк В.К. Динамика подвижного состава. М. : Транспорт, 1988. 391 с.
8. Гозбенко В.Е., Каргапольцев С.К., Ахмадеева А.А. Динамические свойства железнодорожного вагона // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2015. № 4 (48). С. 24-29.
