Механическая устойчивость системы колесо-рельс в режиме избыточного проскальзывания колесной пары локомотива Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Библиографический список

1. Электрическая тяга на рубеже веков / ред. А. Л. Лисицын. - М.: Интекст, 2000. - 248 с.

2. ГОСТ 6962-75. Транспорт электрифицированный с питанием от контактной сети. Ряд напряжений. - М.: Изд-во стандартов, 1976. - 3 с.

3. Перевод электротяги магистрального участка Зима-Слюдянка с постоянного тока 3,3 кВ на переменный 27,5 кВ / Н. Л. Фукс // Железные дороги мира. - 1997. -№ 2. - С. 3-13.

УДК 621.335.2

В. А. Усов

МЕХАНИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ СИСТЕМЫ КОЛЕСО-РЕЛЬС В РЕЖИМЕ ИЗБЫТОЧНОГО ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЯ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ ЛОКОМОТИВА

Из совместного анализа тяговой характеристики и характеристики сцепления получено условие механической устойчивости системы колесо-рельс. Показано, что устойчивый характер реализации силы тяги может иметь место и на падающей ветви характеристики сцепления.

характеристика сцепления, сила тяги, устойчивость, упругое и жесткое проскальзывание, боксование.

Введение

Максимальная сила тяги локомотива ограничена условиями сцепления колес с рельсами. Зависимость силы сцепления от скорости скольжения колесной пары относительно рельсов называют характеристикой сцепления. Чаще характеристику сцепления представляют в относительных величинах в виде K = У(Кск), где K - отношение текущего значения силы сцепления к максимальной (рис. 1).

Восходящая ОМ и промежуточная МА ветви характеристики соответствуют неполному скольжению колесной пары, т. е. нормальному (без бок-сования) процессу реализации силы тяги. Падающая ветвь АВ характеризует режим боксования, которому сопутствуют увеличение скорости скольжения и снижение тягового усилия. Ветвь ВС соответствует уменьшению скорости скольжения.

Реализация силы тяги на восходящей ветви сопровождается упругим скольжением материалов колеса и рельса [2], [3], [4] без явного боксования колесной пары. Считалось, что при появлении жесткого проскальзывания колесная пара переходит в режим полного скольжения, т. е. боксования. Однако, как будет показано ниже, и на восходящей ветви характеристики сцепления возможны жесткие проскальзывания колесной пары относи-

тельно рельсов. Явного боксования при этом не наступит. Реализация силы тяги на промежуточной и падающей ветвях характеристики сцепления также может сопровождаться устойчивым режимом.

Рис. 1. Примерная характеристика сцепления (по Д. К. Минову)

1 Условие механической устойчивости системы колесо-рельс

Процесс реализации силы тяги, характеризующей взаимодействие колеса и рельса, может быть описан следующим выражением:

- T

W + = + m '/я

к.п

(1)

где ^кд - сила тяги тягового двигателя на ободе колесной пары;

T - сила сцепления колесной пары с рельсами;

WKM - сила сопротивления вращению колесной пары;

/к, /я - моменты инерции колесной пары и якоря тягового двигателя, а также связанных с ним деталей зубчатой передачи;

Rk - радиус колеса;

Шск - угловая скорость скольжения колесной пары; m - передаточное число привода.

Переходя от угловой скорости скольжения колесной пары к линейной и заменяя влияние момента инерции на эквивалентное значение массы тэ,

а также пренебрегая сравнительно малым значением сил сопротивления вращению колесной пары, получим:

F - T = т к'д э dt

(2)

где тэ - эквивалентная масса вращающихся частей, связанных с колесной парой;

Уск - скорость избыточного скольжения колесной пары относительно рельсов.

Скорость избыточного скольжения колесной пары тяговой оси, как следует из анализа характеристики сцепления, имеет место не только при боксовании колесной пары, но и при нормальном, без боксования, процессе реализации силы тяги. Это обстоятельство позволяет рассмотреть процесс реализации силы тяги с точки зрения статической устойчивости системы колесо-рельс.

Действительно, для того чтобы процесс реализации силы тяги был устойчивым (без боксования), необходимо, чтобы приращение ускоряющего,

усилия тэ

и приращение скорости скольжения Уск имели разные зна-

ки, а следовательно, их отношение представляло бы собой отрицательную величину. То есть

d (тэ )

dt

dV

< 0.

Принимая во внимание уравнение (2), получим:

(3)

или

d ( FK , - T ) dV

< 0

dF

к.д

<

dT

dV dV

(4)

То есть для устойчивого режима реализации силы тяги необходимо, чтобы темп изменения силы тяги на ободе колеса при изменении скорости скольжения колесной пары был меньше темпа изменения силы сцепления.

Темп изменения сил определяется формой характеристик. Форма характеристик оценивается коэффициентом жесткости. Поэтому целесообразно от абсолютных значений, характеризующих устойчивый режим реа-

лизации силы тяги (4), перейти к значениям коэффициентов жесткости характеристик.

dF„

Коэффициент жесткости тяговой характеристики XF =

к.д

dV,

или в

относительных величинах cF

1 dF^

к.д

F dV

к.дмакс ск

Коэффициент жесткости характеристики сцепления XT =

dT

или в относительных величинах cT Учитывая условие (4), получим

1 dT

T dV

макс ск

dV

Xf > Xt ,

(5)

или в относительных величинах

CF >%T •

(6)

Таким образом, если имеет место установившийся режим тяги, т. е. Fкд = T, то для определения механической устойчивости необходимо

сравнить коэффициенты жесткости их характеристик. Если соблюдается условие (5) или (6), то система колесо-рельс обладает устойчивостью и любое отклонение от этого равновесного состояния вернется к установившемуся режиму. Возможные жесткие проскальзывания колесной пары не приведут к развитию боксования.

Совместное рассмотрение тяговой характеристики и характеристики сцепления позволяет определить диапазон скоростей скольжения, при котором соблюдается условие (6), соответствующее устойчивому режиму реализации силы тяги. Значение скорости скольжения, при котором нарушается это условие, означает начало боксования колесной пары.

Будем называть механическую устойчивость системы колесо-рельс в режиме избыточного проскальзывания колесной пары относительно рельсов тяговой устойчивостью колесной пары локомотива.

2 Анализ реализации силы тяги, соответствующей восходящей ветви характеристики сцепления

Рассмотрим процесс реализации силы тяги на ободе колесной пары с точки зрения тяговой устойчивости (рис. 2).

Рис. 2. К анализу механической устойчивости колесной пары:

VH - скорость движения локомотива; Уо - окружная скорость вращения колесной пары; FKa(V) - тяговая характеристика на ободе колесной пары; Г(^к) -характеристика сцепления колесной пары

В точке 1 абсолютная скорость вращения колесной пары Vo равна сумме скоростей движения локомотива Vh и скорости скольжения V^. Очевидно, Vск = Vo — Vh. В этой точке сила тяги и сила сцепления равны, имеет место установившийся режим реализации силы тяги. Выполним анализ этого установившегося режима на устойчивость. Согласно выражению (4), для устойчивого режима реализации силы тяги в точке 1 необходимо, чтобы темп изменения силы тяги при изменении скорости скольжения был меньше темпа изменения силы сцепления. Очевидно, что это условие соблюдается и, следовательно, режим реализации силы тяги в точке 1 является не только установившимся, но и устойчивым. Аналогичный анализ можно провести по всей восходящей ветви характеристики сцепления и убедиться, что условие устойчивости для нее соблюдается. Становится очевидным, что при реализации силы тяги, соответствующей возрастающей части характеристики сцепления, могут иметь место не только упругие, но и жесткие проскальзывания колесной пары. Колесная пара при этом сохраняет устойчивость и не переходит в режим боксования.

Анализируя экспериментальные данные восходящей ветви характеристики сцепления [2], можно установить, что прямолинейная часть, где наблюдается прямая пропорциональность между силой тяги и скоростью проскальзывания, соответствует примерно 0,2% скорости скольжения и 70% максимальной силы тяги по сцеплению. Можно предположить, что

именно в этом диапазоне скоростей скольжения наблюдаются упругие деформации колеса и рельса. При больших значениях скоростей скольжения возможны жесткие проскальзывания. При этом характеристика сцепления будет отклоняться от прямолинейной формы, тяговая устойчивость сохраняется, а скорость скольжения может превышать возможные значения упругих величин.

Таким образом, восходящая ветвь характеристики сцепления является результатом не только упругих, но и жестких проскальзываний. Форма характеристики сцепления, полученная экспериментальным путем [4], подтверждает представленные рассуждения.

3 Анализ реализации силы тяги, соответствующей промежуточной ветви характеристики сцепления

Промежуточная ветвь характеристики сцепления МА (см. рис. 1) соответствует реализации режима тяги, в котором коэффициент сцепления достигает своего наибольшего значения (точка М) или незначительно снижается (точка А). При скорости скольжения большей, чем VA, наступает полное скольжение колесной пары, т. е. начинается боксование. На характеристике сцепления эта точка обозначена буквой А. Анализ на тяговую устойчивость, соответствующую промежуточной ветви, показывает, что точка А не может быть оценкой характеристики сцепления, определяющей область неполного скольжения (см. рис. 1). Момент наступления полного скольжения зависит от формы (жесткости) тяговой характеристики. Там, где жесткость тяговой характеристики становится меньше жесткости характеристики сцепления, т. е. нарушается условие (5), начнется полное скольжение, т. е. боксование. А так как жесткости тяговых характеристик разных типов локомотивов различны, то и положение точки А для них будет различным.

В работе [5] показано, как жесткость тяговой характеристики двигателя влияет на положение точки А на характеристике сцепления. Для анализа взят электровоз ВЛ22М с тяговыми двигателями смешанного возбуждения, жесткость тяговых характеристик которого могла меняться в широких пределах. С ростом жесткости тяговых характеристик точка А для каждой более жесткой характеристики смещалась вправо по кривой сцепления.

Если жесткость тяговой характеристики локомотива превышает жесткость падающей ветви АВ характеристики, то условие тяговой устойчивости (5) будет соблюдаться во всем диапазоне скоростей скольжения и колесная пара не будет иметь склонности к увеличению скольжения. Пусть, например, режим реализации силы тяги соответствует точке А (рис. 3), находящейся на падающей ветви характеристики сцепления. Условие тяговой устойчивости (5) при этом соблюдается.

Рис. 3. Механическая устойчивость колесной пары на падающей ветви характеристики сцепления:

1 - характеристика сцепления; 2 - тяговая характеристика скользящей оси; Т - сила сцепления; F - сила тяги на ободе колеса

Сила тяги скользящей колесной пары Fa будет иметь значительную, хотя и несколько меньшую, чем максимальная, величину. Очевидно, что такой режим может быть допущен в эксплуатации ограниченное время. Подобные характеристики, жесткость которых превышает жесткость характеристики сцепления, присущи локомотивам с тяговыми двигателями смешанного и независимого возбуждения, а также локомотивам с асинхронными тяговыми двигателями (имеются в виду естественные тяговые характеристики).

Заключение

1. Получено аналитическое условие статической механической устойчивости системы колесо-рельс в режиме проскальзывания колесной пары локомотива.

2. Уточнено понимание восходящей ветви характеристики сцепления. Показано, что кроме упругих здесь возможны и жесткие проскальзывания колесной пары. При этом восходящая ветвь характеристики сцепления может иметь не прямолинейный характер.

3. Промежуточная ветвь характеристики сцепления не может иметь четкой границы, обозначенной точкой А на рисунке 1. У разных типов ко-мотивов эта точка соответствует разным значениям скорости скольжения.

4. Показано, что локомотивы с жесткими тяговыми характеристиками не только не склонны к боксованию, но и в режиме полного скольжения колесной пары обладают тяговой устойчивостью и реализуют достаточно большое значение тяговых усилий.

Библиографический список

1. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей / Д. К. Минов. - М.: Транспорт, 1965. - 266 с.

2. Случайные факторы и коэффициент сцепления / И. П. Исаев. - М.: Транспорт, 1977. - 182 с.

3. Теория электрической тяги / В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров. -М.: Транспорт, 1983. - 328 с.

4. Исследование скольжения колесной пары электровоза при реализации силы тяги в эксплуатационных условиях / Н. Н. Меншутин // Труды ВНИИЖТа. - М.: Транс-жесдориздат, 1960. - Вып 188. - С. 113-132.

5. К вопросу о характеристике сцепления и реализации силы тяги / В. А. Усов // Сб. науч. тр. - Свердловск: УЭМИИТ, 1970. - Вып. 31. - С. 19-23.

УДК 629.423

И. С. Цихалевский, Д. Л. Худояров

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА РЕМОНТА КОЛЕСНЫХ ПАР ЛОКОМОТИВОВ СО СМЕНОЙ ЭЛЕМЕНТОВ В УСЛОВИЯХ ДЕПО

Колесные пары являются одним из важнейших узлов, требующих постоянного и усиленного внимания. Рассмотрены предпосылки и причины повышенного износа колесных пар. Приведена существующая программа действий по снижению износа гребней колесных пар. Возможность увеличения срока службы и повышения надежности бандажей колесных пар в условиях депо рассмотрена на примере реконструкции локомотивного депо Чусовская.

колесные пары, тяговый подвижной состав, износ бандажей, закаленный слой, профили катания, принцип взаимозаменяемости, наплавка гребней, оптимальный прокат, технологический износ, технический регламент.

Работа железнодорожного транспорта связана с непрерывным и интенсивным перевозочным процессом. Постоянно меняющиеся условия работы, перепады температур окружающей среды, большие динамические нагрузки - это лишь небольшая часть того, что оказывает серьезное влияние на техническое состояние подвижного состава. Ввиду этого к подвижному составу предъявляются повышенные требования по надежности, так