Моделювання руху екіпажа в стрілочному переводі Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 625.282:625.032.07

САПРОНОВА С.Ю. к.т.н., доцент (СНУ iм. В.Даля, м. Луганськ). Моделювання руху екшажа в стр1лочному перевод!

Постановка проблеми

Найбшьш типовими проблемами, що виникали у процес функцюнування сис-теми «колесо-рейка» в р1зш перюди роз-витку зал1знищ у всьому свт е проблема тдвищено! штенсивносп зношування колю 1 рейок 1 проблема сход1в рухомого складу з рейок.

Проблемною зоною колп е стршочш переводи, геометричш параметри яких значно впливають на показники безпеки руху при проходженш колюних пар склочного переводу при протишерстному

руи.

Анал1з досл1джень 1 публ1кац1й

При вщсутносп наднормативного зношування 1 дефекпв гостряка його гео-метр1я не створюе передумов для вкочу-вання колеса на рейку. В1дом1 з експлуа-таци випадки сход1в, як правило, пов'язаш з дефектами гостряюв.

Вщповщно до «1нструкцп по устрою та утриманню колп зал1зниць Укрш'ни» [2] дефектами стршочного переводу е:

- роз'еднання стршочних гостряюв з тягою;

- вщставання гостряка вщ рамно'' рейки бшьше шж на 4 мм;

- викрашування гостряка, при якому створюеться небезпека наб1гання гребеня: на головних кол1ях - 200 мм 1 бшьше; на приймально-вщправних кол1ях - 300 мм 1 бшьше; на шших кол1ях - 400 мм 1 бшь-ше;

- пониження гостряка проти рамно'1 рейки на 2 мм 1 бшьше, вим1ряне у пере-тиш, де ширина гол1вки гостряка або рухомого сердечника зверху 50 мм 1 бшьше;

- злом гостряка або рамно'1 рейки.

Багато фактор1в, що впливають на безпеку руху в стршочних переводах, ви-кладено в «Правилах техшчно! експлуата-цп зал1зниць Украши» (ПТЕ) [3]

Тобто йдеться про небезпеку, яка складаеться в наб1ганш гребеня колеса на вютря стршки при його вищербленш. Са-ме ця обставина пояснюе юнування одного з допускових параметр1в зносу гребеня - параметра крутосп гребеня дЯ, яким обмежуеться максимальний кут нахилу гребеневого конусу. Параметр крутосп гребеня дЯ дозволяе виявити небезпечну форму гребеня бандажа - наднорматив-ний тдр1з. Зменшення параметра крутосп призводить до збшьшення кута нахилу гребеня, що, як вважаеться, знижуе р1вень безпеки руху у вщношенш сходу з рейок на стршочних переводах при протишерстному рус1.

Треба, однак, вщзначити, що в Канад1 1 США, в свш час, тсля дослщжень причин тдр1зу гребешв, прийняли р1шення про збшьшення купв нахилу гребешв коль сних пар з 70° до 75°. Це сприяло пщви-щенню безпеки руху 1 припиненню катаст-роф1чного б1чного зносу поверхонь кочен-ня колюних пар [4, 5].

В Укрш'ш ж, навпаки, при переход! з1 стандартного профшю на ремонтний при першому обточуванш бандажв кут нахилу гребеня зменшуеться з 70° (ДСТУ 11018:2005) на кут 65° (65о37'40" - «М1-НЕТЕК»).

Дослщжень контактування колеса зал1зничного рухомого складу в стршоч-ному перевод! незначна кшьюсть. Тому автором поставлена мета досшдити вплив параметр1в стршочного переводу (зазору м1ж рамною рейкою 1 гостряком, зани-

ження вершини гостряка вiдносно рамно1 рейки i радiусу закруглення вершини гре-беня) на можливiсть безпечного прохо-дження колюною парою стрiлочного переводу.

Результати дослщжень

Стрiлочний перевiд е невiд'eмною i найбiльш складною частиною колп, дшя-нкою тдвищено'1 небезпеки руху по1здiв. Найчастiше схiд колюних пар з рейок у стршочних переводах вiдбуваеться вна-слiдок вкочування колю iз гребенем, який мае небезпечну форму, на гостряк стршо-чного переводу при протишерстному русь

Небезпечна форма гребеня пов'язана

з верхньою межею значення кута нахилу гребеня, що, у вiдповiдностi iз «1нструкщ-ею» [6, 7], визначаеться граничним зна-ченням параметра крутостi гребеня [ дЯ ].

На рис. 1 показано схему на1зду колеса на гостряк стршочного переводу в протишерстному русь На рис. 2 показано схему гребеневих реакцш в контактах з

рамною рейкою ( К2) i гостряком ( К3 ). В залежносп вiд картини гребеневого кон-тактування можна визначити три фази наезду колеса на гостряк.

Перша фаза - ншзд на рамну рейку -юнуе на дшянщ вiд точки I до точки II. На цш фазi гребшь контактуе з рамною рейкою в точщ К2, а мiж вiстрям гостряка i гребенем юнуе зазор тх, який зменшуеться в мiру наближення до точки II. Вертикальна i горизонтальна складовi нормально! гребенево! реакци залежать вщ кута кон-тактування ¡л за наступними формулами:

P = N • sin ¡л; H2 = N2 • cos ¡л, (1)

де кут контактування ^ = 90 — у2.

Друга фаза - ншзд на вютря гостряка -на дшянщ вщ точки II до точки III (рис.1). На цш фазi гребiнь контактуе з елементами стршочного переводу у двох точках: у точщ К2 - з рамною рейкою i у точщ К - з гостряком.

Рис. 1. - Схема ншзду гребеня максимально зношеного профшю бандажа ГОСТ 11018 на гостряк стршочного переводу

Рис. 2. - Схема гребеневих реакцiй у стршочному переводi

Змша значень реакцп N2, N3 на дь лянцi II-III мае характер перекладки: у точщ II - N =0, а у точщ III - N2 =0. Су-марна реакщя гребеня на стршочний пе-ревiд складаеться з реакцiй у точках К2 i

К 3 ( Nz = N2 + N ) i визначаеться за формулою :

N2 + N32 + 2• N2 •N3 sin(у2 + ]) . (2)

Кут контактування ¡л може бути ви-значений за формулою:

Л = arctg

N2 • sin г + N3 • cos у N2 • cos г + N3 • sin у

(3)

Третя фаза — тсля точки III - рух колеса по гостряку. На цш фазi мiж рамною рейкою i гребенем з'являсться зазор т2 i спрямовуюче зусилля передаеться на гребень через точку К3.

P = N3 • sin] ; Н3 = N3 • cos] . (4)

На рис. 3 показано схеми наб^ання гребеня на гостряк стршочного переводу при наявносп дефекпв гостряка:

- вертикально! деформацп гостряка (рис. 3а,б);

- вiдколу гостряка (рис. 3в);

Iмовiрнiсть вкочування гребеня на

гостряк залежить, як вщ кута ухилу про-фiлю гребеня, так i вщ величин, якi харак-теризують дефекти гостряка. При визна-ченш допускових параметрiв зносу гребе-шв, що впливають на кут ухилу гребеня,

необхщно враховувати допуски на пара-метри утримання стрiлочних переводiв.

а)

в)

Рис. 3. - Схеми ншзду гребеня на гостряк стршочного переводу при дефектах гостряка

На рис. 4 показана схема контактування гребеня з гостряком. Кут нахилу профшю у в точщ К контакту гребеня з гостряком, вщ якого залежить коефщент запасу стшкосп проти сходу з рейок, визначаеться положенням точки К на про-фш гребня.

Рис. 4. - Схема контактування гребеня колеса з гостряком

Положення точки контакту гребеня з вютрям гостряка стршочного переводу ( К ) Для конкретного профшю гребеня за-лежить вщ наступних основних параметрiв профшю i стрiлочного переводу:

параметра крутосп гребеня - qR ; радiусу вершини гребеня - r; зазору мiж рамною рейкою i гостряком - а ;

заниження вершини гостряка вщно-сно рамно'1 рейки - h ;

куту профшю гостряка - а . На рис. 5 показано зазор мiж рамною рейкою i гостряком а i заниження вершини гостряка вщносно рамно'1 рейки h стршочного переводу.

При дослщженш впливу параметрiв а, h, а i r прийнято, що параметр кру-тост qR мае найменше можливе значення

qRmn при максимальному пiдрiзi гребеня, коли кут нахилу гребеня буде дорiвнюва-ти ß = 900.

б)

Рис. 5. - Параметри прилягання гостряка до рамно'1 рейки:

На рис. 6 показана схема визначення мшмального значення параметра крутосп

qRmn.

Рис. 6. - Схема стввщношення qR,

qRmin, ß i r

З рис. 6 мшмальне значення параметра крутосп гребеня визначаеться за формулою

qR™ = г - 2-V^.

qR = АА' + r — 2 -Vr—Г,

(5)

де АА' «(кг +S — r—13)-ctgß, звщки qR = (hz +ö — r-13)-ctgß + r — 2-4r—1 (6)

На рис. 7 показано схему контакту-вання гребеня i гостряка для розрахунку характеристик стшкосп вiд сходу колеса з рейки при наб^анш гребеня на вютря гос-тряка.

Рис. 7. - Схема контактування гребеня iгостряка

На базi схеми контактування рис. 7 можна визначити залежшсть кута контактування У3 у гребеневому контактi вiд параметрiв стрiлочного переводу за допо-могою наступних залежностей:

Уз =Ф~£

де ф = arcsin

K3E =

(7)

h

k3e

2 .

а

K з = К3ж - жз =--h ■ tga =

а- h ■ sin а

сова

сова

K3E =

2 I а- h ■ sin а

h2 +

сов а

Vh2 +а2 - 2 ■ h ■а^ sin а

(8)

ф = arcsin

сова

h■cos а

*Jh2 +а2 - 2 ■ h а- sin а

. (9)

. K3E . Jtf + а2 -2■ h"а*sin« s = arcsin—3—arcsin—

. (10)

2■r 2■r ■cos а

В результат^ залежнiсть кута контактування (у) вщ радiусу профiлю при вершинi гребеня - r i параметрiв стршоч-ного переводу - а, а i h мае наступний вигляд:

у3 = arcsin

h■cos а

4и2

а - 2 ■ h ■а^ sin а

- arcsin-

. \/h2 +а2 - 2 ■ h ■а^ sin а

(11)

2■r■cos а

В якост критерiю безпечного на1зду на вiстря гостряка стрiлочного переводу може бути прийнята умова

Уз ^[Уз ] ,

(12)

де [у] - мiнiмально-допустимий

кут контактування - кут, при якому забез-печуеться безпечне проходження стршоч-ного переводу.

Для дослiдження впливу параметрiв стршочного переводу (зазору мiж рамною рейкою i гостряком - а, заниження вер-шини гостряка вщносно рамно1 рейки - Ь i радiусу закруглення вершини гребеня -г) на можливiсть безпечного проходження колюною парою стрiлочного переводу ви-значаеться залежнiсть а = а(Н, г, у).

Зi схеми на рис. 7 зазор мiж рамною рейкою i гостряком можна визначити за формулою

а = K ж ■ cos«, (13)

де К3ж = К3з + жз,

К3з =*JК3Е2 -Н2, жз = h■ tgа, К3Е = 2 ■ r ■ sin s

звщки

2

Къж = V4• r2 • sin2 е-h2 + h• tga. (14)

Кут е можна визначити наступним чином, як рiзницю KyTiB ф i у3:

де ф = arccos -

r • cos / ■

е=ф-Уз, h

2 2 • r • cos у- h

— = arccos 3

2 • r

2• r • cos/з -h

е = arccos-3--/3. (16)

2 • r

З формул (13)-(16) отримуемо зале-жнiсть зазору мiж рамною рейкою i гост-(15) ряком <j = a(h, r, у3)

а =

/

14 • r2 • sin2

arccos

2 • г • cos y3 - h

2 • r

■Уз

- h2 + h • tga

• cosa. (17)

Висновки

В результатi дослiджень автором вдосконалено модель стршочного переводу на основi урахування вщхилень пара-метрiв стрiлочного переводу вщ номша-льних i динамiчних процесiв «ущшьнен-ня» стрiлки. Збшьшення кута гребеневого конуса при зменшенш в процесi зношу-вання бандажа параметра крутосп гребеня до певних допустимих значень можна вважати корисним з точки зору безпеки руху по сходу з рейок.

Список лггератури

1. Сапронова С. Ю. Аналiз i вплив ви-дiв зношування колiс рухомого складу на 1х ресурс / С. Ю. Сапронова // Вiсник Схь дноукрашського нац. ун-ту iм. В. Даля. -Луганськ : СНУ iм. В. Даля, 2010. - №5 [147]. - Ч. I. - С. 32-40.

2. 1нструкщя по устрою та утриманню колп залiзниць Украши / Е. I. Даниленко, А. М. Орловський, А.П. Татуревич та ш. -К. : Транспорт Украши, 1999. - 248 с. : ш.

3. Правила техшчно! експлуатацп за-лiзниць Украши. - К. : Вид-во «ФОРТ», 2003. - 120 с.

4. Богданов В. М. Снижение интенсивности износа гребней колес и бокового износа рельсов / В. М. Богданов // Желез-

нодорожный транспорт. - 1992. - №12.-С. 30-34.

5. Kalousek J. Contact geometry between wheel flange and rail / Kalousek J. // Division of mechanical engineering report. -Vancouver: Canadian Railway Institute, 1984. - Р. 3-18.

6. 1нструкщя з формування, ремонту й утримання колюних пар тягового рухомого складу залiзниць Украши колп 1520 мм // ВНД 32.0.07.001.2001. Мшютерство транспорту Украши. - Донецьк: ТОВ «Лебщь», 2001. - № 305-Ц. - 152 с.

7. Наказ Укрзалiзницi № 598-Ц вщ 18.12.2007 «Про внесення змши №2 до ВНД 32.0.07.001-2001». - Кив : МЫстерство транспорту Украши, 2007. - 3 с.

Анотацн:

При анал1з1 параметр1в профшю бандашв [1] показано, що основными параметрами, яш ви-значають тривалють життевого циклу, i впливають на стшшсть ввд сходу з рейок, е параметр крутосп

гребеня qR i товщина гребеня b. У статп вико-

нано теоретичш дослвдження впливу параметр1в зносу поверхонь кочення бандаж1в на динам1чш характеристики екшаж1в та показники безпеки руху в стршочних переводах. Зроблено висновок про те, що збшьшення кута гребеневого конуса при зменшенш в процес1 зношування бандажа параметра крутосп гребеня до певних допустимих значень можна вважати корисним з точки зору безпеки руху по сходу з рейок.