CC BY
16Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 4 (63). С. 36-43. The Siberian Transport University Bulletin. 2022. No. 4 (63). Р. 36-43.
ТРАНСПОРТ
Научная статья УДК 625.031
doi 10.52170/1815-9265_2022_63_36
Моделирование пятна контакта, возникающего при взаимодействии колеса и рельса, для разных вариантов режима ведения
грузового состава
Инна Леонидовна Парахненко1^, Дарья Александровна Гребнева2
12 Уральский государственный университет путей сообщения, Екатеринбург, Россия
1 Iparahnenko@usurt.ruH
2 dashagrebnewa@yandex.ru
Аннотация. Для безопасного и плавного движения рельсового экипажа по железнодорожной колее необходимо эффективное взаимодействие колеса и рельса, которое напрямую зависит от технических (состояние пары «колесо - рельс»), динамических (конструкция и состояние железнодорожного пути), трибо-логических (величина трения на контактирующих поверхностях) и других многочисленных факторов. Возникающее при движении фрикционное сопротивление, особенно в кривых участках пути, влияет на износ колес и рельсов, повышение потребления электроэнергии, расстройство пути.
В статье представлены результаты моделирования изменения площади пятна контакта, возникающего между колесом и рельсом при движении грузового поезда. Основной акцент сделан на кривых участках с разными вариантами макрогеометрии пути, что дало возможность реализации нескольких режимов ведения при движении и вариантов износа профилей поверхности катания колесной пары. Данное направление является востребованным в настоящее время не только со стороны пути, но и для энергослужб и служб вагонного и локомотивного хозяйств, потому что на взаимодействие влияют как состояние контактирующих поверхностей, так и тяговые характеристики, развиваемые экипажем при движении.
Исследование проведено посредством имитационного моделирования, в программном комплексе движения грузового поезда. Взят действующий участок Свердловской железной дороги, смоделировано движение в двух направлениях. Рассмотрены два возможных состояния изношенности пары «колесо - рельс» и получены три основных режима ведения состава. Построены наглядные сравнительные диаграммы для каждого из рассматриваемых радиусов кривых участков пути. В заключение сделаны основные выводы и поставлены задачи, которые требуют решения и дальнейших исследований.
Ключевые слова: режим движения, кривая, тяга, профиль, пара «колесо - рельс», пятно контакта, площадь
Для цитирования: Парахненко И. Л., Гребнева Д. А. Моделирование пятна контакта, возникающего при взаимодействии колеса и рельса, для разных вариантов режима ведения грузового состава // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2022. № 4 (63). С. 36-43. DOI 10.52170/1815-9265_2022_63_36.
TRANSPORT
Original article
Modeling of the contact spot arising from the interaction of a wheel and a rail, for different variants of the freight train driving mode
Inna L. Parakhnenko1H, Darya A. Grebneva2
12 Ural State University of Railway Transport, Yekaterinburg, Russia
1 Iparahnenko@usurt.ruH
2 dashagrebnewa@yandex.ru
Abstract. For the safe and smooth movement of a rail carriage along a railway track, effective interaction of the wheel and the rail is necessary, which directly depends on technical (the condition of the wheel-rail pair), dynamic (the design and condition of the railway track), tribological (the amount of friction on the contacting surfaces) and numerous other factors. The frictional resistance that occurs during movement, especially in curved sections of the track, affects the wear of wheels and rails, increased electricity consumption, and disruption of the path.
© Парахненко И. Л., Гребнева Д. А., 2022
The article presents the results of modeling the change in the area of the contact spot that occurs between the wheel and the rail during the movement of a freight train. The main emphasis is placed on curved sections with variants of the macro geometry of the path, which made it possible to implement several driving modes during movement and wear of the profiles of the pair. This direction is in demand at the present time, not only from the side of the track, but also for power services and services of the carriage and locomotive farms, because the interaction is influenced not only by the condition of the contacting surfaces, but also by the traction characteristics developed by the crew during movement.
The study was carried out by means of simulation modeling, in a software package, of the movement of a freight train movement. The current section of the Sverdlovsk Railway was taken; traffic in two directions was modeled. Two possible states of wear of the wheel-rail pair are considered and three main modes of train driving are obtained. Visual comparative diagrams are constructed for each of the considered radii of the curves of the sections of the path. In conclusion, the main conclusions are made and tasks are set that require solutions and further research.
Keywords: driving mode, curve, traction, profile, wheel-rail pair, contact spot, area
For citation: Parakhnenko I. L., Grebneva D. A. Modeling of the contact spot arising from the interaction of a wheel and a rail, for different variants of the mode of the freight train driving mode. The Siberian Transport University Bulletin. 2022;(63):36-43. (In Russ.). DOI 10.52170/1815-9265_2022_63_36.
Введение
Повышение эксплуатационных характеристик элементов, взаимодействующих при движении состава по железнодорожному пути, в частности износостойкости, приведет к уменьшению эксплуатационных издержек железной дороги [1]. Для этого необходимо разработать меры организационного и технологического характера. На сети дорог ОАО «РЖД» совершенствуют профили поверхностей катания рельсов и колесных пар, изучают различные методы использования смазочных материалов (рубрикация). Постоянно разрабатывают и внедряют мероприятия по снижению коэффициента трения в трибопаре, направленные на увеличение ресурса системы. Ведется регулярный мониторинг и прогнозирование технического состояния железнодорожного пути [2, 3]. В основе всех мероприятий лежат теоретические исследования, выполненные отечественными учеными С. М. Андриевским, Н. Н. Меншутиным, Д. К. Миновым и др.
Ведущие специалисты ВНИИЖТ В. О. Пе-взнер и Ю. С. Ромен обратили внимание на то, что при взаимодействии колеса и рельса образуется пятно контакта, имеющее некоторую площадь, которая меняется при изменении радиусов кривизны контактируемых поверхностей. Также были замечены изменение и сдвиг площади контакта при движении экипажа по рельсовому пути. Выявленная закономерность чаще всего ведет к увеличению контактных давлений, а также к изменению места точек контакта [4-7].
Целью данной работы является изучение площади пятна контакта между колесом и рельсом при реализации разных вариантов режима движения грузового поезда в кривых участках железнодорожного пути, так как на данный момент нет однозначного ответа о влиянии силы тяги на динамику взаимодействия.
При движении состава по железнодорожному пути в основном выделяют три основных режима движения:
1) режим тяги, при котором действует сила Fk, а также силы сопротивления движению Ж:
^ = ^ - Ш, (1)
где Fд - режим тяги; Fk - действующая сила, Ж - сопротивление;
2) режим выбега, также известный как режим холостого хода, при котором на состав действуют лишь силы сопротивления движению:
^ = -Ш; (2)
3) режим торможения, при котором к действующим силам сопротивления движению подключается тормозная сила Вт
^ = -(Ш + Вт), (3)
где Вт - тормозная сила.
Материалы и методы исследования
Для изучения площади пятна контакта при полученных на рассматриваемом участке (в системе комплексных расчетов «ИСКРА-ПТР») режимах ведения поезда моделирование проводилось в программном комплексе «Универсальный механизм» [8]. Была создана модель грузового поезда, максимально приближенного к реальному (вес 5 600 т, длина 920 м). Принята средняя скорость движения по данному участку - 60 км/ч. Модель поезда состоит из двух тяговых модулей (ВЛ80Я) и 60 полувагонов с нагрузкой 22,5 т на ось. В состав модели включены три 3D-вагона (в начале состава, в середине и в конце) [9]. Продольный профиль рассматриваемого участка по элементам представлен в таблице.
Для экспериментального моделирования приняты два состояния пары «колесо - рельс» (рис. 1): новое состояние профилей пары «колесо - рельс» (рельс - Р65new и колесо -
Элемент продольного профиля Длина элемента, м
Прямая вставка 350,72
Круговая кривая (правая): R = 60 1 м; li,2 = 90 м; l = 241,67 м; h = 125 см 421,67
Прямая вставка 1 502,61
Круговая кривая (правая): R = 592 м; l 1,2 = 120 м; l = 560,26 м; h = 125 см 800,26
Прямая вставка 662,66
Круговая кривая (левая): R = 1 011 м; l 1,2 = 90 м; l = 304,53 м; h = 70 см 484,53
Прямая вставка 303,63
Круговая кривая (правая): R = 567 м; l 1,2 = 120 м; l = 196,69 м; h = 135 см 436,69
Прямая вставка 124,16
Круговая кривая (левая): R = 594 м; l 1,2 = 110 м; l = 481,11 м; h = 125 см 701,11
Прямая вставка 737,96
Общая длина 6 526,00
* R - радиус; А - длина входной кривой; ^ - длина выходной кривой; l - длина кривой постоянного радиуса; h - возвышение.
а)
Новые профиля
г%
т
силы
боковые
продольные
¿4
к
Ц9п ЩЩ^юм.участке.
■ -
прямом участк£ЯИЫ J
Ж.
ц
г*
4 **
'Г4 yJ У г г [
ч ЬН
ШЖ№
* - i ^ - / ь f А -
45 Г " и - ( ^ 1
т
%ЩШк в кривых
Рис. 1. Принятые варинаты профилей пары «колесо - рельс»: а - новые профили; б - среднеизношенные профили
newvagn); среднеизношенный профиль (рельс Р65 с имеющимся боковым износом не менее 4 мм - Р65worn) и колеса, имеющие отклонения от нового состояния (dmeti30) [10].
При моделировании движения по участку пути в кривых радиусами 601 и 592 м движение осуществлялось в режиме холостого хода, а при прохождении кривых радиусами 567 и 594 м состав двигался в режиме тяги. При прохождении составом пути не был использован режим торможения, поэтому был смоделирован проезд по исследуемому участку пути в обратном направлении. В результате при движении по кривой с радиусами 601 и 592 м состав двигается в режиме тяги, а в кривой с радиусами 567 и 594 м смоделирован режим торможения (рис. 2).
Результаты исследования
После обработки результатов, полученных в ходе моделирования, построены диаграммы средних значений площадей пятна контакта для каждого колеса в колесной паре при трех рассматриваемых режимах движения грузового поезда (рис. 3-5). На рисунках приняты
следующие условные обозначения: к.п. - колесная пара, ^^^т - новый профиль пары,
........... - среднеизношенный профиль пары
«колесо - рельс».
Анализ полученных результатов выявил, что в режиме холостого хода (см. рис. 3) площадь пятна контакта у пары, имеющей средне-сетевой износ профилей пары «колесо - рельс», независимо от радиуса, больше, чем при новом (не имеющем износа) состоянии профилей. При этом наибольшая площадь пятна контакта возникает в кривой радиусом 601 м у 4-й колесной пары. В кривой радиусом 592 м площадь пятна контакта пропорционально увеличивается у 2-й и 4-й колесных пар как для среднеизношенных, так и для новых профилей. Представленные диаграммы выявляют влияние профиля пары «колесо - рельс» на пятно контакта при движении в режиме холостого хода.
При прохождении экипажем кривых участков (с левым поворотом) железнодорожного пути в режиме тяги наибольшая площадь пятна контакта наблюдается на левом (внутреннем) колесе при неизношенном профиле
61
60 1
59
¡Г58
51
56
XX РТРМ^ XX РТ
/
1 I \
ч \
\ У F =11111 Г» •3 F5674 **
> R=592m г f
/ г ^R=594M
0 02 04 0.6 0,5 1 1,2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2,3 3 3.2 3.4 3.6 3,8 4 4,2 4.4 4.6 4.S 5 5,2 SA 5,6 5.8 6 6.2 6.4 6,6 6L8 7
Расстояние, км
Рис. 2. Графики скорости на рассматриваемом участке с указанием режимов движения
пары. Разница значений у ведущих колесных личается для рассмотренных вариантов. На
пар (1-й и 3-й) составляет 14 % в кривой ради- правом колесе изменение профиля пары не
усом 1 011 м, на ведомых осях (2-й и 4-й ко- влияет на площадь пятна контакта на поверх-
лесных парах) площадь практически не от- ности катания рельса.
левое колесо
к.п. 1
0,00020 к.п. 4 <0,00000
к.п. 3
к.п. 1
0,00020 0,
к.п. 4 0,00000
R = 601 м
правое колесо
к.п. 1
к.п. 2
0,00020 0,
к.п. 4 0,00000
к.п. 3
R = 592 м
к.п. 2
к.п. 4
к.п. 1 0,00030
0,00020
0,00010 /Г •
к.п. 2
к.п. 2
к.п. 3
к.п. 3
Рис. 3. Площадь пятна контакта в кривой в режиме холостого хода, м2
R = 1 011м
левое колесо
к.п. 1
0,00022 0,0002 0,
к.п. 4
к.п. 3
к.п. 1
0,00022 0,00020 0,
к.п. 4 0
правое колесо
к.п. 1
к.п. 2
0,00020 0,00010 к.п. 4 0,00000
к.п. 3
R = 594 м
к.п. 1
0,00020 0,000 к.п. 4 0,00000
к.п. 2
к.п. 2
к.п. 3 к.п. 3
Рис. 4. Площадь пятна контакта в кривых в режиме тяги, м2
к.п. 2
левое колесо
R =1011м
правое колесо
к.п. 1
к.п. 4
0,00020 0,00015 0,000 0,00005
к.п. 2
к.п. 4
к.п. 1 0,00020
0,00015
0,000
0,00005
к.п. 2
к.п. 3
к.п. 3
R = 594 м
к.п. 1
0,00020 0,0001
к.п. 1
к.п. 4
0,00020 0,
к.п. 2
к.п. 4
к.п. 2
к.п. 3
R = 567 м
к.п. 1
0,00020 0,000 к.п. 4 0,
к.п. 2
к.п. 3
к.п. 1 0,00020
0,00010
к.п. 4 0,00000
к.п. 2
к.п. 3 к.п. 3
Рис. 5. Площадь пятна контакта в кривой в режиме торможения, м2
В режиме торможения в пологой кривой (R = 1 011 м) максимальная площадь пятна контакта наблюдается на правом колесе при изношенном профиле (см. рис. 5). В левой кривой (R = 594 м) на колесе, двигающемся по внутренней нити на 1-й и 3-й колесных парах, площадь на 21 % больше при новом профиле. На ведомой 4-й оси, наоборот, площадь пятна контакта при износе профиля на 17 % выше. Аналогичная ситуация складывается и на наружной нити. В схожей по радиусу кривой (R = 567 м), но имеющей другие характеристики, большая площадь пятна контакта на поверхности катания наружной рельсовой нити (левое колесо) наблюдается при среднесете-вом состоянии контактирующих поверхностей. При движении по нити, имеющей мень-
ший радиус, на ведущих осях площадь соприкосновения контактирующих поверхностей больше у новых колес, а на ведомых осях разница износа профилей практически не влияет на площадь.
Выводы
Результаты проведенных исследований дают возможность сказать, что на площадь пятна контакта пары «колесо - рельс» непосредственно влияют режим ведения подвижного состава, техническое состояние пары и макрогеометрия железнодорожного пути.
В режиме холостого хода максимальная площадь контакта, а значит, и устойчивость наблюдается при новом состоянии контактирующих поверхностей колеса и рельса. При движении с включенными двигателями (режим
тяги) на внутреннем рельсе пятно контакта больше при новом состоянии профилей, разница с изношенной парой составит более 10 %; при этом на рельсе, который установлен с возвышением, разница в площадях отсутствует. При движении состава по спуску пятно контакта больше (более чем на 20 %) на внутренней рельсовой нити при взаимодействии пары, имеющей износ.
Таким образом, сделать конкретный вывод, выделив один решающий фактор, пока не представляется возможным. Полученные результаты задают направление дальнейшим исследованиям, с расширением рассматриваемых параметров: микрогеометрия кривых, увеличение скоростей, вариативность продольного плана и профиля, увеличение нагрузки на ось и т. д.
Список источников
1. Износостойкость рельсовых и колесных сталей / Е. А. Шур, Н. Я. Бычкова, Д. П. Марков, Н. Н. Кузьмин // Трение и износ. 1995. Т. 16, № 1. С. 80-91.
2. Ларин Т. В. Об оптимальной твердости элементов пары трения «колесо - рельс» // Вестник ВНИИЖТ. 1965. № 3. С. 5-9.
3. О соотношении твердости рельсовой и колесной стали / А. М. Вихрова, Т. В. Ларин, Ю. М. Парышев, Л. С. Хургин // Вестник ВНИИЖТ. 1983. № 6. C. 34-38.
4. Ромен Ю. С. Факторы, обуславливающие процессы взаимодействия в системе колесо - рельс при движении поезда в кривых // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2015. № 1. С. 17-25.
5. Оценка работы пути, находящегося под воздействием продольных сил при реализации максимальных тяговых режимов при использовании электровозов с асинхронным тяговым приводом / В. О. Певзнер, В. В. Кочергин, В. В. Третьяков [и др.] // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2020. Т. 79, № 4. С. 209-216.
6. Pevzner V., Romen U., Shapetko K. Control of energy aspects of track and rolling stock interaction // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 239. Р. 01044.
7. Zharov I. A. Models of adhesion between the rail and the wheel // Journal of Friction and Wear. 2003. Vol. 24 (6). Р. 594-600.
8. Моделирование динамики железнодорожных экипажей : [руководство пользователя «Универсальный механизм 8»]. 2016. URL: http://www.universalmechanism.com/pages/index.php?id=3 (дата обращения: 19.09.2022).
9. Парахненко И. Л. Анализ сил взаимодействия в контакте «колесо - рельс» при различных трибологических вариантах // Транспорт Урала. 2019. № 2 (61). С. 54-57.
10. Парахненко И. Л. Исследование сил взаимодействия в контакте «колесо - рельс» при изменении трибологического состояния поверхности рельсов : автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.22.06. Екатеринбург, 2021. 27 с.
References
1. Shur E. A., Bychkova N. Ya., Markov D. P., Kuzmin N. N. Wear resistance of rail and wheel steels. Friction and wear. 1995;16(1):80-91. (In Russ.).
2. Larin T. V. On the optimal hardness of the elements of the wheel - rail friction pair. Bulletin of VNIIZHT. 1965;(3):5-9. (In Russ.).
3. Vikhrova A. M., Larin T. V., Paryshev Yu. M., Khurgin L. S. On the ratio of rail and wheel steel hardness. Bulletin of VNIIZhT. 1983;(6):34-38. (In Russ.).
4. Romen Yu. S. Factors that cause the processes of interaction in the wheel-rail system when the train is moving in curves. Bulletin of the Russian Scientific Research Institute of Railway Transport. 2015;(1):17-25. (In Russ.).
5. Pevsner V. O., Kochergin V. V., Tretyakov V. V., Kolesnikov K. V., Polunina E. A. Work Evaluation of the track under the influence of longitudinal forces during the implementation of maximum traction modes when using electric locomotives with asynchronous traction drive. Bulletin of the Russian Scientific Research Institute of Railway Transport. 2020;79(4):209-216. (In Russ.).
6. Pevzner V., Romen U., Shapetko K. Control of energy aspects of track and rolling stock interaction. MATEC Web of Conferences. 2018;239:01044.
7. Zharov I. A. Models of adhesion between the rail and the wheel. Journal of Friction and Wear. 2003;24(6):594-600.
8. Modeling the dynamics of railway carriages. User manual Universal mechanism 8. 2016. (In Russ.). URL: http://www.universalmechanism.com/pages/index.php?id=3.
9. Parakhnenko I. L. Analysis of interaction forces in the wheel-rail contact with various tribological variants. Transport of the Urals. 2019;2(61):54-57. (In Russ.).
10. Parakhnenko I. L. Investigation of interaction forces in the wheel - rail contact with a change in the tribological state of the rail surface: abstract dissertation for a degree of Candidate of Engineering: 05.22.06. Yekaterinburg; 2021. 27 p. (In Russ.).
Информация об авт орах
И. Л. Парахненко - доцент кафедры «Путь и железнодорожное строительство» Уральского государственного университета путей сообщения, кандитат технических наук.
Д. А. Гребнева - аспирант, ассистент кафедры «Путь и железнодорожное строительство» Уральского государственного университета путей сообщения.
Information about the authors
I. L. Parakhnenko - Associate Professor of the Track and Railway Construction Department, Ural State University of Railway Transport, Candidate of Engineering.
D. A. Grebneva - Postgraduate Student, Assistant of the Track and Railway Construction Department, Ural State University of Railway Transport.
Статья поступила в редакцию 08.10.2022; одобрена после рецензирования 08.11.2022; принята к публикации 14.11.2022.
The article was submitted 08.10.2022; approved after reviewing 08.11.2022; accepted for publication 14.11.2022.
