CC BY
18
УДК 622.271:625.1
Р.К. Басов, А.М. Керопян
ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТЕЙ КАТАНИЯ КАРЬЕРНОГО РЕЛЬСОВОГО ПУТИ
В результате теоретических и экспериментальных исследований определена целесообразность проведения постоянного контроля (мониторинга) геометрических характеристик поверхностей катания карьерного рельсового пути. Установлено, что радиусы кривизны контактирующих поверхностей системы колесо — рельс непосредственно влияют на фактическую площадь пятна контакта, от которой зависит тяговая способность карьерных локомотивов. Увеличение фактической площади пятна контакта системы колесо — рельс позволяет уменьшить контактные напряжения, увеличить ресурс рабочих поверхностей карьерного рельсового пути, повысить тяговую способность локомотива, а следовательно, и его эксплуатационную производительность.
Ключевые слова: поверхность катания, система колесо — рельс, мониторинг, радиус кривизны профиля рельса, пятно контакта, контактное напряжение, карьерный локомотив, тяговая способность, ресурс рельсового пути.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-1-0-58-66
Определяющим направлением развития горной промышленности на обозримую перспективу считается стабильная ориентация на открытый способ разработки, как обеспечивающий наилучшие экономические показатели. В России открытым способом добывается свыше 90% железных руд, более 70% руд цветных металлов, более 60% угля [1, 2].
Взаимодействие колеса и рельса является физической основой движения подвижного состава по железным дорогам. От параметров этого взаимодействия во многом зависят безопасность движения и основные технико-экономические показатели карьерного железнодорожного транспорта.
Эффективность работы железнодорожного транспорта в условиях открытых горных работ определяется тяговой способностью локомотивов, на которую влияет много факторов и, в первую очередь, коэффициент сцепления бандажей колесных пар карьерных локомотивов с рельсами, который в свою очередь зависит от условий эксплуатации. К ним относятся: повышенные загрязненность рабочих поверхностей и повышенные уклоны рельсовых путей до 60%о, а также малые радиусы закруглений рельсового пути, минимальная величина которых находится в пределах 40—60 м; применение старогодных рельсов, снятых с эксплуатации в системе РЖД; на-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 1. С. 58-66. © Р.К. Басов, А.М. Керопян. 2018.
Рис. 1. Поперечные сечения нового (а) и изношенного (б) рельсов
личие передвижных рельсовых путей и, как правило, наличие неполноценного балластного основания или его полное отсутствие.
До настоящего времени не проводятся исследования по влиянию геометрических характеристик поверхностей катания системы колесо — рельс карьерного железнодорожного транспорта на контактную прочность взаимодействующих тел, отсутствует непрерывный контроль поверхностей катания, являющихся важным фактором тяговой способности локомотивов.
В процессе эксплуатации колесо локомотива при качении в режиме тяги по рельсу движется со скольжением, вследствие чего трущиеся поверхности в зоне их контакта подвергаются повышенному износу (рис. 1. а, б). Этому также способствуют повышенные уклоны карьерных рельсовых путей, что в свою очередь обеспечивает повышенное скольжение тяговых колес карьерных локомотивов.
Износ рельсов карьерного железнодорожного транспорта в процессе эксплуатации контролируется в основном по
Вертикальный износ
двум показателям: вертикальному и боковому износам. Сумму вертикального и половины бокового износа называют приведенным износом [3].
Систематическое измерение профиля поперечного сечения и износа головки рельса имеет важное значение для управления и планирования ремонта и замены рельсов. В литературе [4] показана схема измерения износа рельса (рис. 2).
Решение задачи о контактном взаимодействии и возникающих при этом контактных напряжениях и деформациях впервые было дано в 1881...1882 гг. Г. Герцем с применением методов теории упругости. Для перекрещивающихся под прямым углом цилиндров (сопряжение системы колесо — рельс) параметры длин полуосей эллиптического пятна контакта а и Ь определяются по формулам (1)
a = 1,397 ■ na
N r ■ R
jE r + R
К r ■ R
(1)
E r + R
Коэффициенты na и nb определяются по таблицам методом линейной интерполяции в зависимости от отношения r/R. Здесь r — радиус профиля катания колеса; R — радиус рабочего профиля рельса [5].
Контактная прочность рассчитывается по наибольшему напряжению сжатия [aK]max, действующему в центре пятна
контакта [5]
Рис. 2. Схема измерения вертикального и бокового износов головки рельса
К ] =
L k Jmax
1,5 • N ф„
(2)
Рис. 3. Прибор для измерения вертикального и бокового износа рельсового пути: Н — высота износа. 1 — скоба; 2 — указатель вертикального износа; 3 — муфта с метрической шкалой; 4 — указатель бокового износа; 5 — фиксатор бокового износа
где Ык — вертикальная нагрузка действующая на упругое колесо; ФК — расчетная площадь пятна контакта.
Для задачи контакта колеса и рельса
Фк =к- 0(гЯ)• Ь(гЯ)
(3)
где a(r.R) и ь(гя) соответственно большая и малая полуоси эллиптического пятна контакта, являющиеся функциями геометрических параметров (радиусов кривизны) взаимодействующих профилей колеса локомотива и рельса.
На рис. 3 показан разработанный ВНИИЖТом прибор для измерения износа рельсов.
Кроме того, для измерения износа применяется также штангенциркуль путевой мод. ПШВ (рис. 4).
При силовом взаимодействии различных тел вращения (шарики и ролики
подшипников качения, колеса железнодорожного подвижного состава, катко-вые опоры мостовых конструкций, цапфы и втулки подшипников скольжения и т.п.) в зоне контакта возникают контактные напряжения, величина которых при приложении нагрузки, обратно пропорциональна площади контактируемых поверхностей, формула (2). В свою очередь, площадь контактируемой поверхности (пятна контакта) колеса и рельса зависит от радиусов кривизны контактируемых поверхностей.
Однако, в настоящее время при эксплуатации карьерного железнодорожного транспорта радиусы кривизны рабочих поверхностей рельсов практически не контролируются из-за отсутствия простых и удобных для применения в условиях открытых горных работ измерительных приборов.
Для решения данной технической проблемы предлагаются запатентованные нами соответствующие технические решения: способ определения радиуса кривизны цилиндрических поверхностей бесконечной длины и измерительный инструмент для контроля радиуса кривизны цилиндрических поверхностей бесконечной длины [6, 7].
Данные технические решения позволяют быстро и с минимальными трудозатратами с применением разработанной нами методики определить радиус кривизны рабочей поверхности цилиндрических поверхностей бесконечной длины (например — рельса) в условиях отк-
Рис. 4. Штангенциркуль путевой ПШВ 60
<—--> -> . 1
В
/ л/ к.
1=2С
Рис. 5. Измерение радиуса кривизны взаимодействующих Рис. 6. Профиль колеса с прокатом профилей системы колесо — рельс: на прямолинейных участ- корытообразной формы: h — величи-ках (а); на криволинейных участках (б) на проката, Я — радиус проката
рытых разработок и принять меры для своевременного профилирования изношенных рельсов.
Сущность процесса измерения радиуса кривизны головки рельса заключается в одновременном измерении ширины дорожки катания колеса по рельсу и высоты хорды, стягивающей дорожку катания. Радиус кривизны взаимодействующих профилей Я определяется по формуле ( + ^)
Я = \-, (4)
где I — полуширина дорожки катания, Ь — высота сегмента, ограниченного заключенного между дугой профиля цилиндрической поверхности дорожки катания рельса и хордой, стягивающей крайние точки дуги дорожки катания (рис. 5 а, б).
Наряду с износом головки рельса поверхность катания колеса также подвергается износу (рис. 6).
С помощью предлагаемого нами инструмента также можно измерить глубину и радиус кривизны проката (рис. 6), а, следовательно, величину и характер износа.
В работе [8] в результате теоретических и экспериментальных исследований, выполненных для железнодорожного транспорта общего пользования, установлено, что при остаточном прокате 0,5 мм на бандажах тяговых колес локомотивов интенсивность его нарастания уменьшается и наступает его стабилизация. В этом случае наблюдаются минимальная остаточная деформация, упрочнение поверхности катания бандажа и увеличивается сопротивление материала пластической деформации. Установлено, что для электровозов ВЛ11 и ВЛ22М наличие остаточного проката 0,5 мм способствует повышению ресурса бандажей колес до смены от 600 до 800 тыс. км (рис. 7).
Рис. 8. Прибор для измерения ра-
Рис. 7. Зависимость ресурса бандажей колесных пар электро- диуса кривизны рабочих профи-возов ВЛ11 (1) и ВЛ22М (2) [8] лей карьерного рельсового пути
С учетом вышеизложенного, целесообразно провести исследования в условиях открытых горных работ для определения зависимости ресурса бандажей карьерных локомотивов от высоты проката.
На рис. 8 представлен опытный образец прибора для измерения радиуса кривизны рабочих профилей карьерного рельсового пути.
После получения результатов измерения, по таблице можно определить радиус кривизны профиля: рельса или впадины (проката) изношенного профиля колеса (результат получится без сложных расчетов, например — методом интерполяции).
Результаты выполненных в работе [9] исследований показали, что непрерывный контроль геометрических характеристик поверхностей катания карьерного рельсового пути позволит путем своевременного профилирования его
рабочих поверхностей обеспечить конформный контакт взаимодействующих поверхностей системы колесо — рельс, увеличить фактическую площадь контакта взаимодействующих тел и тем самым уменьшить величину контактных напряжений в пятне контакта, а также уменьшить взаимный износ.
В результате исследований, выполненных нами в работе [10], получены зависимости радиусов кривизны рабочей поверхности головки рельса при одноточечном контакте (для прямых участков) — формула (5) и при двухточечном гребневом контакте (для криволинейных участков) — формула (6)
Г .(г -VГ2 -12)
Я = ^-;-, (5)
Б + г-4Т2-
И =
А- г - г2 - (А- г )У г2 - /2 А-г + Vг2 -/2
(6)
Геометрические параметры (радиусы кривизны) рабочих поверхностей рельсов: Ь — высота сегмента дуги профиля рельса, l — полуширина дорожки катания
Размеры, мм
0,5 1 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
3 9,25 5,00 3,75 3,25 3,05 3,00 3,04 3,13
5 25,25 13,00 9,08 7,25 6,25 5,67 5,32 5,13
7 49,25 25,00 17,08 13,25 11,05 9,67 8,75 8,13
9 81,25 41,00 27,75 21,25 17,45 15,00 13,32 12,13
11 121,25 61,00 41,08 31,25 25,45 21,67 19,04 17,13
13 169,25 85,00 57,08 43,25 35,05 29,67 25,89 23,13
15 225,25 113,00 75,75 57,25 46,25 39,00 33,89 30,13
17 289,25 145,00 97,08 73,25 59,05 49,67 43,04 38,13
19 361,25 181,00 121,08 91,25 73,45 61,67 53,32 47,13
21 441,25 221,00 147,75 111,25 89,45 75,00 64,75 57,13
23 529,25 265,00 177,08 133,25 107,05 89,67 77,32 68,13
25 625,25 313,00 209,08 157,25 126,25 105,67 91,04 80,13
27 729,25 365,00 243,75 183,25 147,05 123,00 105,89 93,13
29 841,25 421,00 281,08 211,25 169,45 141,67 121,89 107,13
31 961,25 481,00 321,08 241,25 193,45 161,67 139,04 122,13
где r и R — радиусы рабочих профилей соответственно колеса и рельса; l — полуширина полоски контакта; S и А — зазор между рабочими поверхностями контактирующих поверхностей системы колесо-рельс при одноточечном и двухточечном контактах, соответственно.
Графики зависимостей по формулам (5) и (6) приведены на рис. 9 а, б.
По данным графикам, предварительно определив полуширину полоски контакта, можно для обеспечения конформного контакта (зазор 0,2...0,8 мм) определить радиус R для профильной шлифовки рабочей поверхности рельса и выбрать радиус r профиля колеса, контактирующего с рельсом. Радиус профиля колеса должен контролироваться по шаблонам согласно [11].
В порядке справочной информации следует отметить, что радиус R для рельсов, применяемых в США, составляет 254.355,6 мм (для рельсов 115RE, 132RE, 136RE), а для рельсов, соответствующих европейскому стандарту, R = = 300 мм. Для сравнения можно отметить, что для рельсов по ГОСТ Р 51685-
а) 120 100
2013 «Рельсы железнодорожные» радиус кривизны головки рельса в осевом сечении равен 500 мм.
ГОСТ 11018-2000 [12] предусматривает в окрестности круга катания колеса конусность 1:20. т.е. радиус кривизны образующей конусной поверхности, соприкасающейся с рельсом, для новых колес равен бесконечности. С этой точки зрения представляет интерес исследовать функцию, определяемую формулой (5) при условии, что радиус профиля колеса стремится к бесконечности.
Г.(г-л/Т2—2) .2
Я = Ит^-.-= — (7)
— 5 + г -ТТ2—2 2в
Графики зависимости радиуса кривизны рабочей поверхности головки рельса от зазора между коническим колесом и рельсом при одноточечном конформном контакте для конического колеса (при г ^ да) приведены на рис. 10.
Для средних значений зазора Э = = 0,5 мм можно определить предельные значения радиусов кривизны профиля головки рельса при полуширине поло-
4
*—
— »- —»- — -•--
•Т"Г"Г--Т~Г--1
б)
0.2
0.4
120 100 80
2
2бо ос
40 20 О
0.6
3
0.8
~ - - -, ^т:Г.:::
- ~~ ■ г ч <
Л, Ь, ММ
Двухточечный контакт:
1 —•—г= 20 2—^•—г=40 3 —•— г= 60 4—'»—г=80
2 Одноточечный контакт:
5 - «-1=20 6 - • - 1=40
8 ,
7 7 - • - 1=60 8 - • - 1=80
1 5
Д, S, мм
О 0.2 0.4 0.6 0.8
Рис. 9. Графики зависимостей радиуса кривизны Я головки рельса от зазоров Э и между рабочими профилями колеса и рельса: I = 12 мм (а); I = 20 мм (б)
Рис. 10. Зависимость радиуса кривизны рабочей поверхности головки рельса от зазора между колесом и рельсом при одноточечном конформном контакте для конического колеса
ски контакта в интервале I = 12 — 20 мм и Я = 144—400 мм. Для обеспечения конформного контакта системы колесо — рельс с рациональными параметрами рельсы должны профилироваться согласно рекомендаций [13].
Соответствующие сочетания радиусов кривизны взаимодействующих поверхностей колеса и рельса по установленным математическим зависимостям, при которых образуется конформный контакт, позволяют улучшить характеристи-
ки сцепления и увеличить тяговую способность локомотивосостава.
Выводы
1. Наличие конформного контакта рабочих профилей колес карьерного железнодорожного транспорта с рельсами позволяет увеличить фактическую площадь пятна контакта системы колесо — рельс, уменьшить контактные напряжения в зоне контакта, увеличить ресурс рабочих поверхностей карьерного рельсового пути, повысить тяговую способность локомотива, а следовательно,и его эксплуатационную производительность.
2. Предлагаемое техническое решение позволяет организовать мониторинг состояния рабочих профилей системы колесо — рельс карьерного железнодорожного транспорта и своевременно выполнять в условиях карьеров профилирование рельсовых путей для обеспечения конформного контакта между колесами локомотива и рельсами.
3. Соответствующие сочетания радиусов кривизны взаимодействующих поверхностей колеса и рельса по установленным математическим зависимостям, при которых образуется конформный контакт, позволяют улучшить характеристики сцепления и увеличить тяговую способность локомотивосостава.
4. Результаты экспериментальных измерений показали, что применение разработанной нами методики позволяет с высокой точностью определить радиусы кривизны взаимодействующих цилиндрических поверхностей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Скрыль А. И. Итоги работы угольной промышленности в 2013 г. // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. — 2014. — № 4. — С. 53—58.
2. Яковлев В. Л. Состояние, проблемы и пути совершенствования открытых горных разработок // Горный журнал. — 2009. — № 11. — С. 11—14.
3. Чернышев М. А., КрейнисЗ.Л. Железнодорожный путь. — М.: Транспорт, 1985. — С. 108.
4. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса / Пер. с англ. У. Дж. Харрис, С. М. Захаров, Дж. Ландгрен и др. — М.: Интекст, 2002. — 408 с.
5. Писаренко Г. С. и др. Справочник по сопротивлению материалов. — Киев, Наукова думка, 1988. — С. 776.
6. Керопян А. М., Бибиков П.Я., Вержанский П. М., Басов Р. К. Патент РФ на изобретение № 2566598 от 28.08.2014. Способ определения радиуса кривизны цилиндрических поверхностей бесконечной длины. Бюл. № 30 от 27.10.20l5.
7. Керопян А. М., Капуткин Д. Е., Бибиков П.Я., Басов Р. К., Завьялов М. Ю. Патент РФ на изобретение № 2568332 от 28.08.2014. Измерительный инструмент для контроля радиуса кривизны цилиндрических поверхностей бесконечной длины. Бюл. № 32 от 20.11.2015.
8. Буйносов А. П. Методы повышения ресурса бандажей колесных пар тягового подвижного состава. Дисс. докт. техн. наук, 05.22.07. — Екатеринбург, 2011.
9. Керопян А. М., Кряжев Н. М., Сизин П. Е., Басов Р. К. Условия взаимодействия колес карьерных локомотивов с рельсами и определение рациональных геометрических параметров их контактирующих поверхностей // Горная промышленность. — 2012. — № 4 (104). — С. 108—110.
10. Керопян А. М., Вержанский П. М., Басов Р. К. Рациональные геометрические параметры рабочих поверхностей рельса и бандажа колеса карьерного локомотива, работающего в режиме тяги // Горное оборудование и электромеханика. — 2015. — № 1. — С. 28—33.
11. Инструкция по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм (с изменениями и дополнениями, утвержденными указанием МПС России от 23.08.2000 № К-2273у).
12. Тяговый подвижной состав железных дорог колеи 1520 мм. Колесные пары. Общие технические условия. ГОСТ 11018-2000.
13. Шлифование рельсов. Совершенствование методики и технологии // Железные дороги мира. — 2000. — № 9. — С. 1—10.
14. Railway Track & Structures. — 1998. — № 6. — pp. 49—50.
15. Railway Track & Structures. — 1999. — № 6. — pp. 19—23, 55—57. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Басов Роман Константинович1 — аспирант, Керопян Амбарцум Мкртичевич1 — доктор технических наук, профессор, e-mail: [email protected], 1 НИТУ «МИСиС».
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 1, pp. 58-66.
R.K. Basov, A.M. Keropyan
JUSTIFICATION OF TOPICALITY OF THE CONTINUOUS CONTROL OVER RAILTRACK RUNNING SURFACE GEOMETRY IN OPEN PIT MINES
The theoretical and experimental research results point at advisability of the continuous control (monitoring) over geometrical characteristics of railtrack running surfaces in open pit mines. It is found that the curvature of the wheel-rail contact surface directly affects the actual contact area size which governs tractive efficiency of locomotives.
An increase in the actual wheel-rail contact area makes it possible to reduce contact stress, to extend operating life of railtrack surfaces, and to enhance tractive efficiency and, accordingly, working capacity of open pit mine locomotives. The proposed engineering solution allows monitoring of state of the wheel-rail profile and enables prompt shaping of rail to provide the conformal contact between locomotive wheels and railtrack in open pit mines.
Key words: running surface, wheel-rail system, monitoring, rail profile curvature, contact stress, open pit mine locomotive, tractive efficiency, railtrack life.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-1-0-58-66
AUTHORS
Basov R.K.1, Graduate Student,
Keropyan A.M.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: [email protected],
1 National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.
REFERENCES
1. Skryl' A. I. Mineral'nye resursy Rossii. Ekonomika i upravlenie. 2014, no 4, pp. 53—58.
2. Yakovlev V. L. Gornyy zhurnal. 2009, no 11, pp. 11—14.
3. Chernyshev M. A., Kreynis Z. L. Zheleznodorozhnyy put' (Railway track), Moscow, Transport, 1985, pp. 108.
4. Obobshchenie peredovogo opyta tyazhelovesnogo dvizheniya: voprosy vzaimodeystviya kolesa i rel'sa. Per. s angl. U. Dzh. Kharris, S. M. Zakharov, Dzh. Landgren (Guidelines to best practices for heavy haul railway operations: wheel and rail interface issues. English-Russian translation W. J. Harris, S. M. Zakharov, G. Landgren), Moscow, Intekst, 2002, 408 p.
5. Pisarenko G. S. Spravochnikpo soprotivleniyu materialov (Handbook of resistance of materials), Kiev, Naukova dumka, 1988, pp. 776.
6. Keropyan A. M., Bibikov P. Ya., Verzhanskiy P. M., Basov R. K. Patent RU2566598, 27.10.2015.
7. Keropyan A. M., Kaputkin D. E., Bibikov P.Ya., Basov R. K., Zav'yalov M. Yu. Patent RU2568332, 20.11.2015.
8. Buynosov A. P. Metody povysheniya resursa bandazhey kolesnykh par tyagovogo podvizhnogo sostava (Methods of increasing the resource of bandages of wheel pairs locomotives), Doctor's thesis, Ekaterinburg, 2011.
9. Keropyan A. M., Kryazhev N. M., Sizin P. E., Basov R. K. Gornaya promyshlennost'. 2012, no 4 (104), pp. 108—110.
10. Keropyan A. M., Verzhanskiy P. M., Basov R. K. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika. 2015, no 1, pp. 28—33.
11. Instruktsiya po formirovaniyu, remontu i soderzhaniyu kolesnykh par tyagovogo podvizhnogo sostava zheleznykh dorog kolei 1520 mm (s izmeneniyami i dopolneniyami, utverzhdennymi ukazaniem MPS Rossii ot 23.08.2000 № K-2273u) (Instructions for the formation and repair of wheel pairs locomotives railways of 1520 mm track (as amended and restated by indicating the Russian Ministry of 23.08.2000 number K—2273u).
12. Tyagovyy podvizhnoy sostav zheleznykh dorog kolei 1520 mm. Kolesnye pary. Obshchie tekhnicheskie usloviya. GOST 11018-2000 (Traction railway stock for 1520 mm gauge railways. Wheel sets. General specifications State Standart 11018-2000).
13. Zheleznye dorogi mira. 2000, no 9, pp. 1—10.
14. Railway Track & Structures. 1998, no 6, pp. 49—50.
15. Railway Track & Structures. 1999, no 6, pp. 19—23, 55—57.
FIGURES
Fig. 1. Cross sections of new (a) and worn (b) of the rails.
Fig. 2. The scheme of measurement vertical and lateral wear of the rail head.
Fig. 3. An instrument for measuring vertical and lateral wear track: H — height of wear; 1 — bracket;
2 — pointer to vertical wear; 3 — coupling with metric scale; 4 — pointer to the side of wear; 5 — lock side wear.
Fig. 4. The track caliper PSHV.
Fig. 5. Measurement of the radius of curvature of the interacting system profiles wheel — rail: on the straight sections (a), on curves (b).
Fig. 6. The wheel profile with internet trough forms: h — rolled magnitude; R — rolling radius. Fig. 7. The dependence of the resource tires wheel pairs VL11 electric locomotives (1) and VL22M (2) [8]. Fig. 8. The instrument for measuring the radius of curvature of the working profiles of career track. Fig. 9. A graph of the radius of curvature R of the rail head of the gaps S and between the working profiles of wheel and rail: l = 12 mm (a); l = 20 mm (b).
Fig. 10. The dependence of the radius of the working surface of the head rail curvature of the gap between the wheel and the rail with a one-point conformal contact for bevel gears.
TABLE
The geometrical parameters (radii of curvature) working surfaces of the rails: h — the height of the arc segment of the rail profile; l — the half-width ski tracks.
