Механика образования дефектов на поверхности катания колеса и рельса при прохождении горного рельефа местности

Ермоленко Игорь Юрьевич; Железняк Василий Никитович

Транспорт

требителями качества продуктов и услуг, ценовой политики, дополнительных сервисов и специальных предложений на рынке грузоперевозок железнодорожным транспортом по собственной методике.

Наряду с этим компания находится в самом начале пути, и предстоит большая работа по разработке и внедрению инструментов оценки качества предоставляемых холдингом услуг и уровня удовлетворенности и лояльности клиентов как грузовых, так и пассажирских перевозок.

6. Опыт многих зарубежных фирм показывает, что успешная деятельность в условиях открытости мировой экономики и ужесточения конкуренции порой невозможна при сохранении стереотипов фирменной стратегии и тактики. Подчас залог успеха - в нарушении традиций [2].

При создании конкурентоспособной системы обслуживания выработка идеи новой услуги является отправным пунктом работы и во многом определяет дальнейшую судьбу услуги на всех последующих стадиях транспортного процесса.

Транспортная услуга должна найти своего клиента, способного организовать ее эффективное применение. Это потребует от производителя коренного пересмотра каталога услуг, нового подхода к выбору партнеров, принципиального изменения организационных структур управления этим процессом.

В компании ведется работа по созданию каталога услуг, существует и ряд нормативных документов и стандартов качества. Вместе с тем сегодня назрела необходимость создания Единого каталога услуг холдинга «РЖД», формирующего и систематизирующего все виды услуг холдинга и определяющего критерии их качества.

Для решения задачи развития клиентоориен-тированности холдинга «РЖД», безусловно, необ-

ходимы меры стратегического характера, и сегодня их видят в формировании корпоративной системы внутренней и внешней клиентоориентиро-ванности «РЖД», которое предлагается вести в несколько этапов [1].

Наряду с этим, учитывая решающую роль холдинга «РЖД» в экономике страны, публичный статус компании, применяемые к ней инструменты государственного регулирования и огромную социальную ответственность, для применения этих принципов, сформулированных для классических бизнес - систем, требуется их серьезная адаптация к условиям деятельности железнодорожного транспорта.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Интерес клиента -Пульт управления.

политика 2015. №3.

для высшего Т. 1 М. :

1. Баскин Р. холдинга // С.14-17.

2. Гончаров В.В. Руководство управленческого персонала. МНИИТУ, 1998. 816 с.

3. Ермоленко М. Формируя культ карго: как выиграть конкуренцию за груз? // РЖД -партнер. № 13/14. С. 26-28.

4. Иванов П. Программа развития вертикали // Пульт управления. 2015. № 3. С. 38-45.

5. Морозов В. Инструментарий реформирования монополии // Пульт управления. 2015. № 3. С. 6-9.

6. Скрытые резервы // Пульт управления. 2015. № 1. С. 44-49.

7. Ставка на сервис // Пульт управления. 2015. № 3.С. 10-13.

УДК 625.03; 629.46 Ермоленко Игорь Юрьевич,

аспирант, кафедра «Вагоны и вагонное хозяйство», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. +7 (9642) 218-082, e-mail: [email protected] 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: [email protected]

МЕХАНИКА ОБРАЗОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ НА ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ КОЛЕСА И РЕЛЬСА ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ГОРНОГО РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ

I. Yu. Ermolenko, V. N. Zheleznyak

MECHANICS OF FORMATION OF DEFECTS ON THE SURFACE OF THE WHEEL AND RAIL RIDING WHILE PASSING THE MOUNTAIN TERRAIN

Аннотация. В статье рассмотрены причины образования дефектов на рельсовом полотне и поверхности катания колеса с действием их на колесную пару, тележку и вагон в целом. Для раскрытия физической сущности образования дефектов

на поверхности катания выбран на полигоне горный рельеф местности участка Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД). Изучены отдельно дефекты на поверхности рельса и отдельно дефекты на поверхности катания колеса. Анализ полученной информации сопоставлен с дефектами на шести других участках. Полученные результаты с участков дороги с разными радиусами кривизны, скоростью и возвышением наружного рельса сведенные в таблицу, позволяют вычленить определяющий фактор силового воздействия на рельс и колесо. Мы полагаем, это позволит разработать мероприятия, которые будут направлены на повышение безопасности движения подвижного состава в наиболее опасных участках пути.

Ключевые слова: механика взаимодействия, горный рельеф, безопасность движения, дефекты поверхности катания, боковая рама, надежность, розовая прочность, конусность колесной пары, рамные силы, конструкция экипажа.

Abstract. The article describes causes of defects forming on rails and wheel thread with their influence on a wheel pair, bogie and a whole wagon. To expand the physical essence of defects formation, a mountain plat of the East Siberian Railway was chosen on the tasting area. Defects on the surface of the rail and roll surface defects were studied separately. Analysis of information is associated with defects on six other sites. The results obtained from road sections with different radii of curvature, speed and elevation of the outer rails are summarized in the table that allows to extract the determining factor of force on the rail and the wheel. We believe this will allow to develop activities aimed at improving the safety of the movement of rolling stock in the most dangerous stretches of road.

Keywords: mechanics of interaction, mountainous terrain, traffic safety, surface defects, lateral frame, reliability, durability, pink lasting properties, taper wheel pair, frame strength, construction crew.

Введение

Быстрое нарастание силового воздействия от колес подвижного состава на том или ином участке горного профиля пути резко увеличивает контактные напряжения, которые воздействуют на целостность рельса и колеса. Зачастую в отдельных случаях динамическое воздействие колеса на рельс может угрожать безопасности движения из-за весьма опасного хрупкого разрушения, особенно, если на поверхности рельса и колеса имеется концентратор напряжений. Поэтому оценка хрупкой прочности рельса и колеса с выщербинами представляет большой интерес.

Основные технические средства транспорта, особенно путь и вагон весьма консервативны и обладают огромной «наследственной» памятью к перегрузкам. Их «здоровье» было

подорвано в результате неразумного десятилетнего эксплуатационного эксперимента по загрузке вагонов 61 т -72 т - 80 т, при этом были снижены скорости движения поездов, а технические характеристики, например возвышение внешнего рельса, остались прежними, которые были предназначены для более высоких скоростей. Естественно, что эти негативные последствия указанного эксперимента сказываются на железных дорогах России и особенно на горно-перевальных участках. Это влияет в том числе и на интенсивность бокового износа рельсов, гребней и в целом на безопасность движения [1]. На рис. 1 показан участок ВосточноСибирской железной дороги (ВСЖД) с предельными ограничениями пропускной способности [2]. Именно эти участки интересны с научной точки

^ щ I У .7 г V -— 1 ш \\

Рис. 1. Участки и станции Восточно-Сибирской железной дороги с ограниченной пропускной способностью

Транспорт

зрения, т. к. здесь реализуются все силовые нагрузки на путь и подвижной состав.

Постановка задачи. Общие положения

Механика образования дефектов на поверхности катания колеса и рельса изучается с первых дней существования железнодорожного транспорта. Можно констатировать, что в настоящее время на сети железных дорог ОАО «РЖД» повреждения колес, рельсов и других узлов тележек приобрели угрожающие масштабы. Это частично связано с постоянно растущими потребностями железных дорог в увеличении массы и повышении скорости движения, в том числе грузовых тяжеловесных поездов, в том числе на участках ВСЖД, а это новые условия эксплуатации, особенно в кривых участках пути [3].

На железных дорогах России в главном пути лежат Р65, самые прочные рельсы в мире по показателям так называемой розовой прочности (моментам сопротивления, моментам инерции, модулям упругости материала и средней погонной массе) [4]. Почему же эти рельсы, имеющие десятикратный запас прочности, ломаются под поездами? Чтобы сломать в пути бездефектный рельс типа Р65, нужна вертикальная сила от колеса более 200 тс, что в несколько десятков раз больше реально действующих в условиях нормального режима движения исправного подвижного состава. На рис. 2 приведены наиболее характерные и часто встречающиеся износы и изломы рельсов на участках пути ВСЖД, в том числе горного рельефа местности.

Следовательно, важным является поиск пути возможной отсрочки замены рельсов без риска для безопасности движения поездов и возможной экономии значительных средств.

Для оптимизации срока службы рельсов и колес необходимо, чтобы управление состоянием этих компонентов осуществлялось в комплексе, поскольку именно характер их взаимодействия определяет работу каждого компонента. В первую очередь следует уделять внимание рельсам, т. к. они находятся в неизменном положении в пути и более доступны для текущего содержания и ремонта, в то время как колеса подвижного состава перемещаются по рельсам, и определить в каком месте пути колесо получило повреждение, весьма сложно [5]. Дефекты на поверхности катания рельса взаимосвязаны с дефектами на поверхности катания колеса, но в нашем примере, мы пока рассматриваем их раздельно.

Исследование особенностей механизма образования дефектов эксплуатационного происхождения (выщерблины, трещины, износ, ползуны) на поверхности катания железнодорожных колес (рис. 3) часто связывает их с вы-щерблинами теплового происхождения, которые зарождаются с процессом торможения, особенно на кривых горных участках пути. При классификации этих дефектов выделяют три типа выщерблин:

- образование по светлым пятнам (ползун, навар);

- по усталостным трещинам;

- по сетке термотрещин (выкрашивание участков поверхности катания, на которых имеются поперечные термотрещины, возникающие вследствие нагрева тормозными колодками).

Из перечисленных типов выщерблин наиболее распространенными являются дефекты, которые образовались в результате теплового воздействия на поверхности катания колеса. Выщерблины тормозного происхождения образуются и развиваются в результате структурных изменений поверхностных слоев обода колеса при его движении юзом во время интенсивного торможения. В контакте трения (более 5 сек) металл обода колеса нагревается до высоких температур и при прекращении торможения интенсивно охлаждается путем отвода тепла в массивный обод. В результате структурных изменений образуется так называемый «белый слой» на глубине 1,5-2,5 мм, который легко выкрашивается с контактной поверхности обода колеса в результате его эксплуатации [6, 7]. Авторы обратили внимание на то, что часто под ползуном с обратной стороны обода зарождается (невидимая) и развивается «ободно-дисковая» трещина с последующим выходом наружу, которая хорошо фиксируется визуально или при дефектоскопировании. На рис. 4 показаны ползун и зародившаяся под ним трещина.

Мы знаем, что взаимодействие колесной пары с рельсовой колеей лежит в основе единого понятия функционирования железнодорожного транспорта. При этом ключевым элементом взаимодействия является способность колесной пары изменять направление продольного движения (с вилянием) в соответствии с параметрами конусности на поверхности катания колеса.

I

Рис. 4. Зарождение и развитие ободно-дисковой трещины под ползуном

Конусность является своеобразным «рулевым механизмом» железнодорожного экипажа. От настройки и поведения этого механизма при прохождении кривых различного радиуса зависят безопасность, надежность и экономичность работы железнодорожного транспорта в целом. Конусность - это параметры фигуры вращения, сформированной на колесной паре при взаимодействии с рельсовой колеей. Конусность характеризуется разницей в радиусах дисков вращения колес, образованных нормальными реакциями колес с рельсами на одной колесной паре и расстоянием между дисками вращения.

Конусность колесной пары определяет динамику поперечных сил, действующих на подвижной состав и рельсовую колею, поскольку формирует направление движения колесной пары и противостоит действию центробежных сил при движении. Необходимо согласиться с утверждениями, что параметры конусности колесной пары влияют на скоростные режимы в кривых участках пути, на источники критических поперечных сил и позволяют снизить рамные силы в тележках [8].

Транспорт

Расчеты по вписыванию экипажей (тележки или вагона) в кривые позволяют: определить установку экипажа в колее; возможность его следования по заданной кривой; найти силы, возникающие в точках контакта колес с рельсами и в узлах конструкции экипажа (в сочленении тележек друг с другом, в шкворнях опорных устройств кузова и др.). Это необходимо для установления допускаемых скоростей движения по кривым из условий прочности и устойчивости экипажа, а также для предотвращения выкатывания гребня колеса на рельс.

Поперечные силы, которые возникают в точках контакта колеса и рельса, в буксах, в опорных устройствах кузова, условно делят на следующие группы:

1) зависящие только от конструкции экипажа, осевых нагрузок и величины коэффициентов трения скольжения колес по рельсам;

2) зависящие от норм устройства колеи (радиуса кривой, возвышения наружного рельса, ширины колеи) и скорости движения;

3) зависящие от отклонений в содержании рельсовой колеи (в плане) и ходовых частей экипажа (износ бандажей, перекос осей и др.);

4) появляющиеся при действии ветра и продольных сил в составе (силы тяги или торможения).

Обычно при расчетах рассматривают стационарное движение экипажа по кривой с постоянным радиусом кривизны с использованием экспериментально определенных коэффициентов боковой динамики. Свободное вписывание двухосной жесткой базы происходит в случае исправного состояния ходовых частей вагонов, нахождения зазоров и люфтов в пределах допусков, правильно выбранного возвышения наружного рельса в кривой, при котором непогашенное ускорение анп < ± 0,2-0,3 м/с2 для грузового движения. Центр (полюс) поворота жесткой базы в этом случае находится на пересечении продольной оси жесткой базы с радиусом, к ней перпендикулярным, за задней осью двухосной базы (рис. 5).

Наружное колесо первой оси тележки набегает на внешний рельс под углом а. При этом между гребнем внутреннего колеса задней оси и рельсом имеется зазор 5, величина которого зависит от радиуса кривой, размера жесткой базы l и ширины рельсовой колеи 5". Для двухосной тележки грузового вагона при I = 1,85 м зазор 5 может колебаться от 20 до 56 мм при Я = 300 м и от 12 до 48 мм при Я = 600 м [8, 9].

Рис. 5. Схема свободного вписывания в кривые

Из вышесказанного можно сделать вывод, что установка тележки в кривой зависит от сил, приложенных к ней, а последние, в свою очередь, зависят от устройства колеи, радиуса кривой и скорости движения.

Рис. 6. Обрыв головки болтов М20 торцевого крепления подшипников на шейке оси РУ1Ш

Анализ формы неисправностей, дефектов поверхностей катания рельса и колеса указывает на то, что природа поперечных сил (относительно движения вагона), действующих на ось колесной пары и достигающих значения с превышением в десятки тонн (допустимая максимальная боковая нагрузка от колесной пары на боковую поверх-

ность рельса не более 9 т. с.) сегодня малоизучена, но точно знаем, что она является определяющей в разрушении элементов конструкции тележек. Опыт эксплуатации (рис. 6, а) показывает, что эти силы, например, могут приводить к разрыву одновременно нескольких болтов М20 (рис.6, б), удерживающих упорную шайбу оси колесной пары, которая, в свою очередь, препятствует смещению колец подшипников буксы вагонной оси.

Дополнительные факторы, действующие в кривых при проходе поездов, ведут к интенсивной боковой нагрузке и накоплению остаточных деформаций, которые приводят к расстройству пути, износу рельсов. Особенности работы пути в кривых требуют повышенных расходов на его текущее содержание, увеличивающихся по мере уменьшения радиуса кривой. Например, излишнее и недостаточное возвышение наружного рельса в кривых приводит к образованию непогашенного поперечного ускорения а„„. При достижении значений более анп = 0,3 м/с2 увеличиваются поперечные составляющие сил трения на рельсы, которые приводят к возрастанию интенсивности износа последних. Результаты экспериментальных и теоретических расчетов для тележки ЦНИИ-ХЗ (18-100), с жесткой базой 1,85 м, сведены в табл. 1 и представлены на рис. 7.

Т а б л и ц а 1

радиус кривой Я, м 300

скорость движения V, км/ч 20 40 60 80 100 120