Определение параметров контакта колеса с рельсом для различных условий эксплуатации полувагона Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

74

Современные технологии - транспорту

1. Выражения для определения угла поворота редуктора с вертикальной тягой от вертикальных перемещений рамы тележки и колесной пары:

К = -aj^zT; < = a-^zK;

2. Скорость и ускорение вращательного перемещения редуктора, вызванные вертикальными перемещениями рамы тележки и колесной пары, определяются по выражениям

Ф? =-^

Zt H

T

фв =-Oz

Zt H

T

фВ2к =

au

H

-1K’

фВ2* =

a

H

K

3. Суммарный угол поворота редуктора, вызванный одновременными вертикальными перемещениями рамы тележки и колесной парой, определяется по формуле

Ф? = H (Zk - Zt ); (14)

4. Скорость и ускорение вращательного перемещения редуктора определяется как первая и вторая производная от выражения (14) по времени.

Библиографический список

1. Бирюков И. В. Динамика и прочность привода / И. В. Бирюков // Сб. науч. тр. МИИТ. - 1960. -Вып. 121.

2. Палкин А. П. Дизельные поезда. Устройство, эксплуатация, ремонт и устранение неисправностей / А. П. Палкин, Б. М. Лернер и др. - М. : Транспорт, 1970. - 310 с.

3. Шацилло А. А. Тяговый привод электроподвижного состава / А. А. Шацилло. - М. : МПС, 1961.

УДК 625.032.32

А. М. Орлова, А. А. Воробьев, А. В. Саидова

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Д. Е. Керенцев

АО «Выксунский металлургический завод»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОНТАКТА КОЛЕСА С РЕЛЬСОМ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОЛУВАГОНА

Представлены результаты расчетов параметров контактного взаимодействия колес грузового вагона с рельсами Р65 (темпа износа колес, площадей пятен контакта колес с рельсами, мощностей сил трения в пятнах контакта) для различных эксплуатационных условий на сети дорог ОАО «РЖД». Группы эксплуатационных условий выбраны на основе методики ранжирования характеристик главных путей дорог в плане и профиле. Установлены количественные значения параметров контактного взаимодействия, произведен их сравнительный анализ для рассматриваемых условий.

Грузовой вагон, контакт колесо - рельс, площадь пятна контакта, износ колеса, мощность сил трения.

2015/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

75

Изнашивание и образование выщербин в системе колесо - рельс - сложные процессы, зависящие от множества факторов, связанных с экипажем, путем и с условиями их взаимодействия. Ученые исследуют эти процессы давно, однако задача оценки ресурса колес остается актуальной. Натурные испытания на колесах и рельсах требуют существенных затрат и носят долговременный характер. В связи с этим исследование процессов взаимодействия колес и рельсами может быть проведено с помощью машин трения, позволяющих моделировать процессы износа для различных видов стали. Однако для подобных испытаний необходимо знать основные параметры контактного взаимодействия экипажа с путем.

Целью данной работы являлась постановка натурного эксперимента по определению параметров изнашивания и выщербинообразования колесной стали для дальнейшей оценки ресурса колеса. В статье рассмотрено решение первой задачи - определение параметров контакта колес вагона с рельсами (размера пятна контакта, сил крипа, мощностей сил трения и псевдоскольжения, износа колеса) и ранжирование по различным условиям эксплуатации экипажа на российских железных дорогах.

В качестве объекта исследования выбран универсальный грузовой полувагон, установленный на традиционные тележки модели 18-100 с колесами по ГОСТ 10791 [2], с расчетной статической осевой нагрузкой 23,5 тс. Репрезентативные участки пути, характерные для региональных подразделений сети ОАО «РЖД», выбирали на основе анализа статистических данных основных параметров по главным путям дорог РФ. Параметры контактного взаимодействия колес с рельсами определяли в программном комплексе Medyna [12].

Анализ влияния ширины колеи, уширений в кривых и возвышений наружных рельсов на показатели износов гребней колес

Необходимо определить факторы, которые в наибольшей степени влияют на показатели,

оценивающие интенсивность износа. Это поможет в дальнейшем совершенствовать систему экипаж - путь за счет корректировки и управления допустимыми уровнями этих факторов. Для работ, выполненных ранее по этой тематике, характерен подход к выбору наиболее значимых параметров, основанный на опыте и интуиции.

Аналитический обзор данных [4, 8, 10] по износу колесных пар в зависимости от ширины колеи, радиуса кривой, подуклонки рельса и непогашенного ускорения показал, что:

• увеличение ширины колеи приводит к уменьшению удельной работы сил трения и интенсивности изнашивания в контакте колесо - рельс. Сужение ширины колеи на 4 мм (с 1524 до 1520 мм) приводит к увеличению удельной работы сил трения между колесами и рельсами экипажа на 3-10 % в зависимости от радиуса кривых. А во всем исследованном диапазоне ширины колеи (1510-1550 мм) суммарная удельная работа сил трения может различаться до 3 раз (при радиусе кривой 650 м);

• в кривых радиусом 350 м при движении со скоростью, близкой к равновесной, характеристики изнашивания и удельная работа трения между колесами и рельсами для груженых вагонов уменьшаются: в диапазоне ширины колеи 1520-1530 мм - на 22 %, при увеличении ширины колеи свыше 1530 до 1545 мм -дополнительно на 20-30 %;

• в прямых участках пути с увеличением ширины колеи в диапазоне с 1510 до 1540 мм удельная работа сил трения меняется незначительно. Однако в диапазоне 1520-1530 мм имеет место ее минимум. Влияние ширины колеи на интенсивность износа поверхности катания и гребней колес в большой мере зависит от склонности экипажа к вилянию и от степени износа колес;

• увеличение подуклонки вызывает увеличение удельной работы сил трения и интенсивности износа в паре колесо - рельс в основном в период приработки, так как меняются условия контакта: увеличиваются контактные давления и относительные проскальзывания;

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2015/2

76

Современные технологии - транспорту

• возвышение наружного рельса оказывает определенное влияние на износ колесных пар и рельсов. Механизм этого влияния определяется обратнопропорциональной взаимосвязью величин возвышения и непогашенного ускорения при постоянной скорости подвижного состава, при снижении непогашенного ускорения на 0,3 м/с 2, что допускается нормативными документами, интенсивность износа снижается на 7-9 %.

Выбор репрезентативных маршрутов движения, характерных для ресурса колес

В работах [1, 13] предложена методика совместного моделирования износа профилей колеса и рельса, учитывающая статистическое многообразие факторов, влияющих на результаты расчетов. В связи с тем, что любой фраг-

мент железнодорожной сети, принимаемый за объект моделирования, имеет прямые, переходные и кривые участки пути различного радиуса, а эксплуатируемый на этом участке подвижной состав, как правило, различен по типу и техническому состоянию, процесс износа профилей колес и рельсов целесообразно рассматривать как частично детерминированный. Величину износа профиля колеса и рельса, таким образом, целесообразно определять, используя методы вероятностного моделирования. Таким образом, из всей сети железных дорог были выделены репрезентативные маршруты, имеющие тяжелые, нормальные и благоприятные условия с точки зрения реализации ресурса колеса (табл. 1).

Для выбора репрезентативных участков пути на основе анализа статистических данных о характеристиках главных путей в плане и профиле использовалась методика их ранжирования по каждому из следующих фак-

ТАБЛИЦА 1. Параметры репрезентативных маршрутов

Радиус кривых, м Принятый для расчетов радиус, м Протя- женность, км Длина круговой кривой, м Длина переходной первой, м Возвышение наружного рельса в кривой, мм Скорость движения экипажа, м/с (км/ч)

Тяжелые условия эксплуатации

Менее 400 323 240 237 80 100 20,83 (75)

400-700 548 600 298 44 82 25,00 (90)

700-1000 828 184 271 41 57 25,00 (90)

Более 1000 1604 381 245 32 27 25,00 (90)

Нормальные условия эксплуатации

Менее 400 310 151 199 80 78 19,20 (69)

400-700 598 711 284 36 75 25,00 (90)

700-1000 842 314 251 33 59 25,00 (90)

Более 1000 1913 784 282 27 35 25,00 (90)

Благоприятные условия эксплуатации

Менее 400 335 32 189 80 15 16,39 (75)

400-700 580 403 331 45 77 25,00 (90)

700-1000 838 167 295 42 57 25,00 (90)

Более 1000 1663 507 297 35 29 25,00 (90)

2015/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

77

торов, влияющих на интенсивность износа и напрямую связанных с параметрами пути:

• доля кривых малого радиуса (менее 400 м);

• доля кривых среднего радиуса (от 400 м до 700 м);

• доля кривых большого радиуса (более 700 м);

• средняя длина обоих переходных кривых;

• суммарная доля кривых малого и среднего радиуса с возвышением менее 40 мм;

• доля уклонов;

• средняя крутизна уклонов.

Таким образом, например, к тяжелым условиям эксплуатации были отнесены маршруты, имеющие в совокупности участки с минимальным радиусом кривых, максимальной протяженностью и возвышение наружного рельса.

Скорость движения экипажа в кривых рассчитывалась исходя из величины допустимого непогашенного ускорения 0,7 м/с 2 и принималась не более указанной для грузовых вагонов в табл. 84 [6].

Математическая модель вагона и износа в контакте колеса с рельсом

Движение груженого полувагона на тележках модели 18-100 смоделировано в программном комплексе Medyna с использованием математической модели, подобной описанной в [5, 9]. Расчетная схема вагона содержит 23 твердых тела: кузов, две надрессорные балки, четыре боковые рамы, четыре колесные пары, четыре участка пути и восемь участков рельсов (рис. 1).

Геометрические и инерционные характеристики вагона приведены в табл. 2, 3.

Вычисление износа в модели основывается на теории абразивного износа (теория Арчар-да, [11]). Масса изношенного материала пропорциональна работе сил трения в контакте (A), причем различаются фазы слабого и сильного износа, для каждой из которых устанав-

ливается свой коэффициент пропорциональности (к)

I = К • A. (1)

Переход от сильного износа к слабому учитывается через отношение мощности сил трения в пятне контакта к его площади.

Для расчета износа колес грузового вагона использовали следующие параметры [9]:

• коэффициент износа 2,2 10-6 г/Н-м для стадии сильного износа;

• коэффициент износа 1,4 10-6 г/Н-м для стадии слабого износа;

• отношение мощности сил трения в пятне контакта колеса с рельсом к его площади, соответствующее переходу от слабого износа к сильному, 7 МВт/м 2;

• коэффициент трения на поверхности катания колеса 0,25;

• коэффициент трения на гребне колеса 0,28.

Результаты расчета параметров контактного взаимодействия колеса с рельсом

Расчет параметров контактного взаимодействия вагона с путем производили в соответствии с указанными в табл. 1 условиями при движении вагона по рельсам Р65 с неровностями согласно РД 32.68-96 [7]. Для учета прохода вагоном одновременно левой и правой кривых для левого и правого колес каждой колесной пары задавалась идентичность.

Износ профиля колеса для поверхности катания оценивался на расстоянии 70 мм от грани обода, для гребня колеса - на высоте 18 мм от его вершины. На рис. 2 представлен пример полученного изношенного профиля колеса первой по ходу движения колесной пары при проходе вагоном 26 тыс. км в тяжелых условиях в кривых радиусом менее 400 м.

Три вида условий эксплуатации (тяжелые, нормальные и благоприятные) сравнивали между собой по показателю приведенного

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2015/2

78

Современные технологии - транспорту

2015/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

79

ТАБЛИЦА 2. Геометрические характеристики вагона

Параметр Величина

База вагона, м 8,650

База тележки, м 1,850

Поперечное расстояние между центрами рессорных комплектов, м 2,036

Высота центра масс кузова груженого вагона над УГР, м 2,350

Высота центра масс боковой рамы тележки над УГР, м 0,475

Высота центра масс надрессорной балки тележки над УГР, м 0,475

Диаметр колес по кругу катания, м 0,950

ТАБЛИЦА 3. Инерционные характеристики вагонов

Элемент вагона Масса, кг Главный центральный момент инерции, кгм2, для оси

продольной поперечной вертикальной

Кузов груженый 84 400 11 279524 1 279033 1 293439

Боковая рама* 584 16 195 180

Надрессорная балка** 682 370 9 373

Колесная пара 1475 1300 170 1300

Примечания. * - учитывается 2/3 веса рессорного комплекта. ** - учитывается 1/3 веса рессорного комплекта.

10 0

^ -10 N

-20 -30

-68 -48 -28 -8 12 32 52

У, мм

Рис. 2. Изношенный профиль обода колеса (пунктирная линия) в сравнении с новым по ГОСТ 10791 (сплошная линия)

темпа износа колес (отдельно для гребней и поверхностей катания), учитывающего протяженность кривых различных радиусов в общей длине каждого маршрута:

рприв _ ^

P • L

L

(2)

где P. - темп износа гребня/поверхности катания колеса, мм/10 тыс. км, при движении вагона в кривой i-го радиуса; L. - протяженность участка пути с кривой i-го радиуса, км; L - общая протяженность маршрута, км.

На рис. 3, 4 представлены результаты расчетов приведенного темпа износа поверхно-

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2015/2

80

Современные технологии - транспорту

1 кп 2 кп 3 кп 4 кп

■ Тяжелые условия S Нормальные условия □ Благоприятные условия

Рис. 3. Диаграмма приведенного темпа износа поверхностей катания колес вагона в зависимости от условий эксплуатации. Здесь и далее «кп» - колесная пара, номера колесных пар по ходу движения вагона

О

О

X ^

о_ ^

ф

DQ О О 15

X I-

со о

О Т—

о

X СО § 8 i

-о и: х х х ю ф ф ct Q_ Ф *— GG

1 кп

Тяжелые условия

2 кп 3 кп 4 кп

Нормальные условия □ Благоприятные условия

Рис. 4. Диаграмма приведенного темпа износа гребней колес вагона в зависимости от условий эксплуатации

сти катания и гребня колеса, соответственно, Анализ диаграмм приведенного темпа из-отдельно для каждой колесной пары при дви- носа поверхностей катания и гребя показал, жении вагона в различных условиях. что наибольший темп износа характерен для

2015/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

81

перовой колесной пары при тяжелых условиях эксплуатации и составляет 1,42 мм/10 тыс. км для поверхности катания и 4,1 мм/10 тыс. км -для гребня колеса.

Кроме износа и темпа износа колес грузового вагона для каждой колесной пары оценивали площади пятен контакта колеса с рель-

сом и мощность сил трения в них при проходе вагона по кривым различного радиуса (пробег вагона составлял 25-50 тыс. км для различных расчетных случаев). На рис. 5, 6 представлены результаты расчета средней площади пятна контакта колеса с рельсом (для поверхности катания и гребня, соответственно) в зависимо-

—■— Первая кп, левое колесо —в— Первая кп, правое колесо

—а— Вторая кп, левое колесо —к- • Вторая кп, правое колесо

Рис. 5. Площадь пятна контакта на поверхности катания колеса в зависимости от радиуса кривой

Радиус кривой, м

Первая кп, левое колесо Вторая кп, левое колесо

...q... Первая кп, правое колесо —к- • Вторая кп, правое колесо

Рис. 6. Площадь пятна контакта на гребне колеса в зависимости от радиуса кривой

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2015/2

82

Современные технологии - транспорту

сти от радиуса кривой при следовании вагона в тяжелых условиях (наибольшие полученные площади пятен контакта из всех рассматриваемых условий). Максимальная площадь пятна контакта соответствует кривой малого радиу-

са (323 м) и составляет 3,7 см2 по поверхности катания и 0,76 см2 по гребню.

На рис. 7, 8 представлены результаты расчета приведенной по участкам пути с различными радиусами средней мощности сил трения

03

I—

03

о ф

О g_

Щ. Ф

99

О о

пг Ф

СИ

ф

о_

о

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

Первая кп, Первая кп, Вторая кп, Вторая кп,

левое колесо правое колесо левое колесо правое колесо

■ Тяжелые условия н Нормальные условия □ Благоприятные условия

Рис. 7. Зависимость средней мощности сил трения в пятне контакта на поверхности катания колеса от условий эксплуатации

03

I—

03

ф

о_

о

6000

5000

5 Я 4000

I ф ф 5 о_ о

О “■

0 Ф

1 п:

э-

о

3000

2000

1000

0

5278 5044

43 41 29

2656 2351 2535

01

1

Первая кп, левое колесо

Первая кп, Вторая кп, Вторая кп,

правое колесо левое колесо правое колесо

■ Тяжелые условия а Нормальные условия □ Благоприятные условия

Рис. 8. Зависимость средней мощности сил трения в пятне контакта на гребне колеса от условий эксплуатации

2015/2

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

83

и псевдоскольжения в пятне контакта колеса с рельсом (для поверхности катания и гребня, соответственно) при следовании вагона в различных условиях.

Анализ результатов расчета площадей контакта и мощностей сил трения позволил установить, что среднее значение площади пятна контакта на поверхности катания и на гребне колеса для тяжелых условий составило 2,56 см2 и 0,35 см2, соответственно, для нормальных -2,23 см 2 и 0,19 см 2, для благоприятных -2,51 см 2 и 0,37 см2. Максимальные средние значения мощности сил трения и псевдоскольжения на поверхности колеса для тяжелых условий составили 3,14 кВт, для нормальных -2,45 кВт, для благоприятных - 2,92 кВт. Максимальные средние значения мощности сил трения на гребне колеса для тяжелых условий составили 5,50 кВт, для нормальных - 5,28 кВт, для благоприятных - 5,04 кВт.

Полученные данные могут быть использованы в дальнейших работах по моделированию контактов колес грузовых вагонов с рельсами Р65 на машинах трения (отдельно гребней с боковой гранью головки рельса и поверхностей катания с головкой рельса) в различных эксплуатационных условиях.

Заключение

Методом математического моделирования движения универсального груженого полувагона на тележках модели 18-100 по криволинейным участкам пути, соответствующим различным эксплуатационным условиям, определены параметры контактного взаимодействия колес по ГОСТ 10791 с рельсами Р65:

• приведенный по участкам пути различных радиусов темп износа поверхности катания колеса составил от 1,42 мм/10 тыс. км до 0,17 мм/10 тыс. км в зависимости от расположения колесной пары в тележке (первая/вто-рая по ходу движения) и условий эксплуатации вагона (тяжелые, нормальные и благоприятные);

• приведенный темп износа гребня колеса составил от 4,10 мм/10 тыс. км до 1,16 мм/ 10 тыс. км;

• средняя площадь пятна контакта составила до 0,37 см 2 на поверхности катания и 2,56 см2 гребне колеса;

• максимальные средние значения мощности сил трения составили 3,14 кВт на поверхности катания и 5,50 кВт на гребне колеса.

Полученные данные могут быть использованы при подборе параметров роликов на машинах трения в целях моделирования контактов колес вагонов с рельсами Р65 в различных эксплуатационных условиях.

Библиографический список

1. Воробьев А. А. Сопоставление территориальных филиалов ОАО «РЖД» по условиям эксплуатации колесных пар подвижного состава / А. А. Воробьев, О. А. Конограй // Новые материалы и технологии в машиностроении : сб. науч. трудов по итогам междунар. науч.-технич. конф. / под общ. ред. Е. А. Панфилова. - Брянск : БГИТА, 2015. -Вып. 21. - С. 98-107.

2. ГОСТ 10791-2011. Колеса цельнокатанные. Технические условия (введ. 01.01.2012). - М. : Стан-дартинформ, 2011. - 33 с.

3. Захаров С. М. Анализ влияния параметров экипажей и пути на интенсивность износа в системе колесо - рельс (на основе полного факторного численного эксперимента) / С. М. Захаров, Д. Ю. По-горелов, В. А. Симонов // Вестн. ВНИИЖТ. - 2010. -№ 2. - С. 31-35.

4. Захаров С. А. Влияние радиуса кривых на характеристики взаимодействия колеса и рельса / С. А. Захаров, И. А. Жаров // Устройство содержания пути и подвижного состава при тяжеловесном и скоростном движении поездов. Колесо -рельс : сб. науч. трудов науч.-практич. конф. ОАО «ВНИИЖТ». - М. : ИНТНКСТ, 2008. - 240 с.

5. Орлова А. М. Требования к динамическим качествам грузовых вагонов и методы их подтверждения : учеб. пособие / А. М. Орлова, В. С. Лесничий, Е. А. Рудакова и др. - СПб. : ФГБОУ ВПО ПГУПС, 2014. - 37 с.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2015/2

84

Современные технологии - транспорту

6. Приказ № 41 от 12.11.2001 «Нормы допускаемых скоростей движения подвижного состава по железнодорожным путям колеи 1520 (1524) мм федерального железнодорожного транспорта». - М. : Транспорт, 2001. - 126 с.

7. РД 32.68-96. Расчетные неровности железнодорожного пути для использования при исследованиях и проектировании пассажирских и грузовых вагонов (введ. 01.01.1997). - М., 1996. - 17 с.

8. Рожкова Е. А. Анализ влияния ширины колеи, уширений в кривых и возвышений наружных рельсов на показатели износов гребней колес (мощности сил трения между гребнем и рельсом) / Е. А. Рожкова, В. В. Закирова // Проблемы трансферта современных технологий в экономику Забайкалья и железнодорожный транспорт : материалы междунар. науч.-практич. конф., Чита, 13-14 окт. 2011 / Забайкальский ин-т ж.-д. трансп. и др. - Чита : ЗабИЖТ, 2011. - С. 104-108.

9. Саидова А. В. Совершенствование прогнозирования износа профилей колес грузовых вагонов : дис. ... канд. техн. наук / А. В. Саидова ; ПГУПС. -СПб., 2013. - 121 с.

10. Черкашин Ю. М. Анализ влияния параметров экипажа и пути на показатели, определяющие безопасность движения / Ю. М. Черкашин, Д. Ю. По-горелов, В. А. Симонов // Вестн. ВНИИЖТ. - 2010. -№ 2. - С. 3-9.

11. Archard J. F. Elastic deformation and the laws of friction // Proc. Royal Society. - L, 1957. - Ser. A243. -P. 190-205.

12. MEDYNA / Arge Care, Computer Aided Railway Engineering : Руководство пользователя / под ред. Ю. П. Бороненко. - СПб. : НВЦ «Вагоны», 1997.

13. Szabo A., Zobory I. On Deterministic and Stochastic Simulation of Wheel and Rail Profile Wear Process // Periodica Polytechnica, Transp. Eng. ; Tech. Univ. Budapest, 1998. - Vol. 26.

УДК 625.1 1 1

Х. К. Умаров, Е. С. Свинцов

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ЛИМИТИРУЮЩЕГО ПЕРЕГОНА ЛИНИИ АНГРЕН - ПАП

Непрерывное развитие промышленности, сельского хозяйства республики Узбекистан, увеличение объемов капитального строительства, освоение природных богатств в новых необжитых районах, укрепление экономических отношений с Ферганской долиной вызывает постоянный рост размеров перевозок. Это требует дальнейшего усиления мощности сети железных дорог страны, в частности линии Ангрен - Пап, с позиций увеличения пропускной способности.

Предлагается вариант по увеличению пропускной способности лимитирующего перегона линии Ангрен - Пап. Организация безостановочного скрещения - как правило, этап усиления мощности однопутной железной дороги по мере увеличения интенсивности движения.

Линия Ангрен - Пап, пропускная способность, безостановочное скрещение поездов, двухпутная вставка.

До распада Советского Союза транспортное было возможно только через территорию сосообщение Республики Узбекистан со своими седнего государства Таджикистан (линии Бе-восточными участками (Ферганской долиной) кабад - Коканд). Однако после распада СССР в

2015/2

Proceedings of Petersburg Transport University