CC BY
65
УДК 656.2.022.846
В. О. МЕЛЬНИЧУК (Укрзашзниця), О. М. ПШ1НЬКО, О. М. САВЧУК (ДПТ) ПРОБЛЕМА П1ДВИЩЕННЯ ШВИДКОСТ1 ВАНТАЖНИХ ПО1ЗД1В
У статп розглянуто проблему тдвищення швидкосл руху вантажних по!зд1в. В статье рассмотрена проблема повышения скорости движения грузовых поездов. In the paper a problem of increasing the traffic speed of fright trains is considered.
Вантажний вагонний парк Укрзалiзницi, маючи значну стутнь зносу, продовжуе вико-нувати досить напружений вантажообiг - за минулий рш 262,8 млрд ткм, що склало майже 90 % вщ загального показника по Мштрансу.
Iнтенсивнiсть вантажообiгу (що приходиться на один кшометр мапстрально! колii) склала 12 млн ткм/км, що значно перевищуе вщповщ-ний показник розвинених кра!н (у США - 5,1; ФРН - 2,2, Францп - 1,5).
Це забезпечуеться, у першу чергу, за раху-нок високо! маси по!зда (5 тис. т - завантаже-ного по УЗ проти 850 т - на залiзницях Свро-пи), яка обмежена мщшстю ударно-тягових приладiв та несучих конструкцiй вагонiв.
Разом з тим, експлуатацшна швидкiсть по!з-дiв не вiдповiдаe европейському рiвню. Факти-чна швидкiсть завантаженого по!зда обмежу-еться до 85 км/год., а з порожшми вагонами -70 км/год. Це майже у швтора рази нижче вiд конструктивно!, закладено! у технiчних характеристиках вагошв - 120 км/год. В результат не використовуеться на 10... 15 % продуктив-нiсть вагона. З причини обмежених швидкостей ми змушеш утримувати надлишковий парк вагошв та локомотивiв, щоб виконувати необхщ-ний об'ем перевезень.
Спроби збшьшити швидкiсть вантажних по-iздiв, сформованих iз старотипних вагонiв, ро-бились неодноразово [1]. Однак, без усунення обмежуючих причин ус такi спроби заюнчува-лись поверненням до традицшних швидкостей пiсля кiлькох аварiйних сходiв з рейок.
Сьогоднi проблема тдвищення швидкостi стае ще актуальнiшою у зв'язку з нормативами мiжнародних оргашзацш залiзничникiв та на-ступному входженню частини наших мапстра-лей у мiжнароднi транспортнi коридори. Кодексом европейських союзiв залiзничникiв ОСЗ/МСЗ ХХХ/У (ст. 22.3) та пам'ятками ОСЗ № 516 i МСЗ № 430/4 (ст. 1.5) приписано, що максимальна швидюсть вагонiв в експлуатаци, незалежно вiд зносiв ходових частин, повинна складати 120 км/год. (вщповщна стаття позна-
чена зiрочкою, тобто е обов'язковою до вико-нання).
Причиною обмеження швидкостi вантажних поiздiв е втрата стiйкостi руху вагона на вiзках моделi 18-100 (конструкцп iнж. Ханiна), яка може вщбутись при швидкостi, меншiй вщ конструктивно!.
Математична теорiя стiйкостi руху О. М. Ляпунова [2] здобула розвиток стосовно до залiзничного рухомого складу у працях В. А. Лазаряна i його науково! школи -М. Л. Коротенка, Ю. В. Дьомша та iнших [3, 4]. Вони встановили, що рух вагона (чи шшого залiзничного екшажу) втрачае стiйкiсть за Ля-пуновим, якщо його швидкiсть перевищила деяку величину, яку називають критичною швидкктю руху вагона.
Починаючи з 90-х роюв минулого столiття, галузевими лабораторiями Д11Ту проводяться дослiдження критично! швидкосп вантажних вагонiв у залежностi вщ зносiв ходових частин та шших факторiв. Одержанi на цей час результата приведет на рис. 1. Першi три стовпщ дiа-грами характеризують критичну швидкiсть укр нового вагона (або з переточеними колюними парами) при експлуатацiйному пробку вiд нуля до приблизно 30 тис. км. У вказаний перюд критична швидюсть перевищуе 120 км/год. незалежно вщ iнших факторiв. Саме ця обставина дозволила встановити нормативну конструк-тивну швидкiсть. Показаш на дiаграмi iншi значення укр вiдповiдають стану пiсля пробiгу вагошв на вiзках моделi 18-100 бшьше 30 тис. км. Потрiйними стовпцями позначена критична швидкiсть у залежносп вiд трьох ос-новних факторiв:
• злiва - при рус порожнього вагона по прямолшшнш коли - вона становить прибли-зно 70 км/год;
• середш стовпцi - для завантаженого вагона у прямолшшнш колн - критична швид-кiсть дещо перевищуе 80 км/год.;
• справа - рух в кривих, коли вiдцентровi сили сприяють стабшзаци i втрата стiйкостi трапляеться при бшьш високiй швидкостi.
Рис. 1. Критична швидшсть вагона на в1зках мод.18-100
Ознаками втрати стшкост руху е:
1) Збудження автоколивань виляння колю-них пар у горизонтально площиш. Колют пари безперервно коливаються у колшному зазо-р1, натикаючись то на л1ву, то на праву рейку гребенями колю. При цьому динам1чш рамш
зусилля - основний чинник вповзання колеса на рейку - значно збшьшуються. На рис 2 приведет графти змши рамних сил Нр залежно вщ швидкост руху порожнього вагона по прямол> ншних дшянках коли.
Рис. 2. Графши залежносп
Шкала швидкосп вщкладена на середнш ос1, а графши побудоваш за значеннями рамних зу-силь в сторону л1во! та право! рейок (вщповщно верхня та нижня крив1). Внутрiшнi крив1 - рамш сили вагона з незношеними профшями колю ГОСТ-9036. При зростанш швидкосп сили монотонно збшьшуються. Рух вагона при цьому стшкий. Середш лшн (пунктирнi з жир-
рамних сил в1д швидкосп
ними крапками) - зареестроваш зусилля вагона з незношеними профшями колю Д11Т-УЗ. В д1апазош швидкостей 70... 90 км/год. рамш зусилля зростають бшьш штенсивно (на 25...50 %), але втрати стшкосп не зафшсовано. Зовшшш лшн - колют пари зношеш. Тут зб1-льшення рамних зусиль розпочинасться уже при 60 км/год., а при 80 км/год. зафшсоваш си-
ли BTpmi бiльшi (порiвняно з показниками вну-трiшнiх лiнiй), далi вони дещо стабiлiзуються. Спостерiгаються ознаки втрати стшкосл руху вагона, починаючи 3i швидкостi 70 км/год.
2) Характерно, що пiсля втрати стiйкостi поперечш перемiщення колiсних пар вiзка вщ-буваються протифазно одна вiдносно шшо1. Це приводить до збурення автоколивань вилян-ня рам впкчв у горизонтальнш площинi. Тому у техшчнш лiтературi втрату стiйкостi часто визначають як «интенсивное извилистое движение тележек». Оскшьки критична швидкiсть вагошв по!зда може бути рiзною (див. рис. 1), то можливо спостершати у минаючого по!зда нестiйкий хщ окремих вагонiв. ïx вiзки iнодi називають «шальные тележки» (термiн зустрь чаеться, зокрема, у монографiï одного з науко-вих працiвникiв ВНИИЖТа [5]). У зв'язку з цим доцшьно зазначити, що пiд вказаний тер-мiн пiдxодять yci вiзки моделi 18-100 пiсля експлуатацiйного пробку б1льше 30 тис. км. У лiтературi европейських дослiдникiв втрата стшкосн називаеться «шиммЬ> (shimmy - вiб-рацiя, коливання (колiс), один з негритянських танцiв). Зокрема, у лекшях спецiалiстiв фран-цузького дослiдницького центру рухомого складу шдкреслюеться, що саме «шиммЬ> було найскладнiшою проблемою при створент су-перекспресiв TGV.
3) Кузов вагона тсля втрати стшкосн руху теж починае коливатись у горизонтальнш площинi, оскiльки виляння обох вiзкiв збурю-ються переважно у протифазь Автоколивання виляння кузова вщбуваються з амплiтудою близько 70 мм (на ширину головки рейки) i частотою ~ 1,5 Гц. Спостерiгаючи за коливання-ми кузовiв минаючого вантажного поïзда, мож-на вiзуально виявити вагони, що втратили стш-кiсть руху.
Способи шдвищення критично!" швидко-стi вагона.
Аналiз конструкцiй високошвидкiсниx ваго-нiв, зокрема поïздiв-експресiв, що забезпечують стiйкiсть руху (при нормованих зносах ходових частин) до 250... 350 км/год., показав, що для шдвищення критичноï швидкосп можна вико-ристати демпфери поздовжшх горизонталь-них коливань, встановленi мiж рамою вiзка та кузовом вагона. Зокрема, рами вiзкiв високо-швидкiсного поïзда TGV (Францiя) з обох сто-рiн з'еднанi з кузовами спещальними пдравл^ чними демпферами. Вони потужнiшi вiд пд-равлiчниx гасникiв вертикальних i поперечних коливань, а у верхнш частинi мають лiйку для регулярного контролю рiвня та поповнення ро-
бочо! рщини, випк яко! може привести до тяжких наслщюв.
Поширеш також демпфери фрикцшного типу. Кожний такий демпфер утворюсться парою притиснутих один до шшого ковзушв: на-дресорно! балки в1зка 1 вщповщних !м - на шкворневш балщ кузова. Для ефективносп ро-боти такого демпфера слщ виконувати дв1 умо-ви:
• поверхш тертя повинш працювати стаб1-льно без мшросхоплень, для чого використо-вують пари «чавун - сталь», «вуглепластик -сталь» та ш.;
• автоколивання виляння рами в1зка, що збурюються тсля досягнення вагоном критично! швидкосп, повинш передаватись на надре-сорну балку, шакше демпфери не будуть ефек-тивно шдвищувати критичну швидюсть вагона.
У пасажирських вагошв (з практично стаб1-льною масою) притискання ковзушв демпфера забезпечуеться тим, що кузов повшстю опира-еться на ковзуни надресорних балок в!зюв. Пе-редаюч! пристро! вщом! двох титв - трьох-важшьш (на в1зках ЫБ-530 1С-експресу ФРН, «ГОША») та повщков! (на в1зках КВЗ-ЦНИИ, мод. 68-4075 та ш.).
Щодо вантажних вагошв, то збшьшення !х критично! швидкосп досягасться шляхом вико-ристання:
• Фрикцшних демпферiв, функшю яких виконують пружш ковзуни надресорно! балки в1зка, поспйно притиснут! до в!дпов!дних ков-зун!в шкворнево! балки кузова. Як тшьки збурюються автоколивання виляння в!зка, вщбува-еться !х гасшня за рахунок роботи сил тертя м!ж ковзунами. В експлуатац!йному вагонному парку УЗ уже п'ять роюв ведеться модершзашя в!зк!в за технолопею, запропонованою ф!рмою «А.СТАК1» (США). При цьому типов! жорстю ковзуни замшюються пружно-катковими безза-зорними ковзунами, як! створюють демпфери з парними ковзунами шкворневих балок кузова. Взаемний стиск ковзушв-демпфер!в регулюеть-ся пружною пол!уретановою вставкою. Надли-шков! зусилля при перевалщ кузова приймае на себе ролик ! полегшуе вписування вагона у крив!.
• Малозносних клитв гасника коливань з уретановими накладками на похилих поверхнях. Важлива функшя клина — не допу-скати виникнення м!ж боковинами ! надресор-ною балкою некомпенсованих зазор!в, щоб ав-токоливання виляння з початку !х збурення передавались на надресорну балку ! гасились ков-зунами-демпферами.
Аналопчними деталями обладнаш вiзки мо-делi 18-7020 розробки ВАТ «КВБЗ» О^м пружно-каткових ковзунiв та малозносних кли-нiв з уретановими накладками, у цих вiзках встановленi ресорнi комплекти з бшншною жорсткiстю. Статичний прогин вагону у поро-жньому режимi збiльшено вдвiчi (порiвняно з вiзками мод. 18-100). Це покращуе плавшсть ходу i мае дати переваги при експлуатаци з пiд-вищеними швидкостями.
Таким чином, у вагонному парку УЗ уже експлуатуються вагони, якi можна використати для формування швидкiсних вантажних поiздiв. Однак, стримуючим фактором виявився нега-тивний досвщ минулих спроб пiдвищення екс-плуатацiйноi швидкостi вантажних поiздiв на залiзницях зi стандартом колii 1520 мм. Тому було виршено виконати ряд попередшх досл> джень з обгрунтуванням безпечностi кожного практичного кроку, пов'язаного зi збiльшенням експлуатацiйноi швидкосп.
Полiгоном для започаткування швидкк-ного руху вибраний напрямок Кривий Рп -Ужгород - Кошице, на якому уже близько 40 рокiв проводяться експлуатацiйнi випробуван-ня нових конструкцiй вагонiв i !х частин. Тут обертаються постшш залiзоруднi маршрути, проходячи складний за планом i профiлем колii Карпатський перевал. Довжина одного рейсу -2700 км. Коефщент порожнього пробiгу - 0,5.
За експертними ощнками, завантаженють ваго-нiв маршрутiв в 1,2. 1,5 рази перевищуе сере-дню загальномережеву на коли 1520 мм.
У 2006 р. проведет пiдготовчi дослщжен-ня з метою визначення найбшьших допустимих швидкостей руху маршруту по трас за умови, що вс вагони будуть мати критичну швид-кiсть не менше 120 км/год. (як у завантаже-ному, так i в порожньому станах). Дiагности-чний рейс виконувався з юнуючим маршрутом i з традицшними швидкостями руху. У маршрут була включена вагон-лабораторiя для без-перервно! реестрацii в обох напрямках з прив'язкою до кiлометражу траси таких величин:
— фактично! швидкосп руху;
вертикальних динамiчних прискорень нетд-ресорених частин вiзка (боковин) та шквор-невих балок кузовiв у чотирьох пiввагонах маршруту;
горизонтальних динамiчних прискорень вка-заних вище непiдресорених та тдресорених частин пiввагонiв. Зареестрованi дат оброблялись за допомогою спещально розроблених алгоритмiв i програм. На виходi будувались кривi зареестрованих i розрахованих параметрiв, суть яких пояснимо на прикладi фрагменту, показаного на рис. 3.
Рис. 3. Фрагмент результата д1агностичного рейсу маршруту
1 Позначений кшометраж маршруту та роз-мщення станцш — для прикладу показана дшя-нка з 45 км по 24 км в райош станци Бша Церк-ва. На розмщених нижче графшах цш д!лянщ вщповщають ос абсцис. Маршрут рухався за-вантаженим у напрямку Ужгорода.
2 Графш фактично! швидкосп V тд час д1аг-ностично! по!здки.
3 Графши вертикальних динам1чних приско-рень: Zír, зареестрованих при проходженш д>
лянки (нижня лш!я) { .2^120, розрахованих штер-поляцшним методом (верхня лш!я). Визначен-ня вертикального прискорення Z120 (очшува-
ного при швидкосп V = 120 км/год. за умови дотримання стшкосн руху за Ляпуновим) проводилось за залежнютю:
^0=+ г-(120 - V),
де Zír- прискорення, що зам1ряне при фшсо-ванш швидкосп руху V , меншш за 120 км/год.;
Z - коефщент (оператор) штерполяци ве-ртикальних прискорень, що знаходиться по ци-фровш таблищ, визначенш анал1зом залежносп прискорення вщ швидкосп руху (40...120 км/год.) шввагона з незношеними ободами колю (вказана залежнють одержана при попередшх випробуваннях); оператор мае меж 0,0026.0,0036.
4 Графши горизонтальних (поперечних) ди-нам1чних прискорень УV (нижнш) та Уш (вер-
хнш), як одержат под1бно до п. 3. Оператор штерполяци горизонтальних прискорень У мае меж 0,00100.0,00225.
5 Графш прогнозно! максимально! швидкосп маршруту, вс! вагони якого мають критичну швидкють, не меншу 120 км/год. Принцип по-будови цього графшу - анал!зом криво! Z120
визначались т! м!сця, де р!вень прискорення перевищуе нормований для задовшьного ходу вагона [6], пот!м розраховувались необх!дн! пониження швидкост! ! наносились на графш (на рис. 3 щ м!сця позначен! св!тлими стршка-ми). В!дпов!дн! м!сця обмежень при анал!з! У120 позначен! на графшу затемненими стр!лками. У п!дсумку для швидкюного маршруту (заван-таженого) на розглянупй д!лянц! траси визна-чена максимальна швидкють руху 100 км/год.
Результати д!агностики наносились на карту зал!знично! кол!!. Дшянка кол!!, що розглянута вище, показана на рис. 4.
В район! ст. Бша Церква в прямому та зво-ротному напрямках смугами жовтого кольору позначена швидкють до 100 км/год. Схщшше вщ ст. Сухолюи показана червона смуга - до 80 км/год., а захщшше ст. Устишвка - чорна смуга позначае, що швидкють рекомендуеться залишити без змш (колишньою). У зворотному напрямку перед ст. Фаспв рекомендована ко-лишня швидкють, а схщшше - до 100 км/год.
Встановлене д!агностикою сшввщношення швидкостей руху маршруту по всьому напрям-ку показане на рис. 5.
Рис. 4. Д1лянка траси з позначенням д1агностичних швидкостей
При розробщ реального графку руху перших швидюсних поiздiв, окрiм цих рекоменда-цiй, приймались до уваги обмеження швидко-стi:
• для завантажених поiздiв — при умовi по-вного використання вантажопiдйомностi
вагошв — до 90 км/год., щоб не допустити зниження ресурсу коли; • за конструктивною швидюстю бшьшосп
вантажних 100 км/год.
електровозiв
до
Рис. 5. Д1аграма рекомендованих швидкостей маршруту
Для переведення у режим швидккного руху був сформований маршрут № 2 виключно з шввагошв нового поколiння на вiзках моделi 18-7020. Напередоднi 2007 р. маршрут розпо-чав перевезення руди в юнуючому (традицш-ному) режима Першi пробнi швидкiснi по!здки (до 90 км/год. у прямому та 100 км/год. у зво-ротному напрямках) за спещально складеним розкладу вiдбулись у кiнцi квiтня минулого року. На !х початок маршрут мав пробп 27 тис. км, а тсля двох рейсв - 32,4 тис. км. Для вагошв на вiзках мод. 18-100 при такому пробпу уже б наступила втрата стшкосп за Ля-пуновим. Але на вiзках нового поколшня цього не спостерiгалось, пробш рейси пройшли без зауважень щодо безпеки руху.
Далi маршрут був переведений у традицш-ний режим експлуатацп, оскiльки технологiя водiння швидкюних вантажних поiздiв повинна бути шдкршлена вiдповiдними iнструкцiями для усiх причетних служб. Розробка таких ш-струкцш виконана.
На сьогоднi експлуатацiйний пробп маршруту № 2 уже перевищив 100 тис. км. Заплано-ване проведення контрольних динамiчних ви-пробувань кiлькох вагонiв для визначення критично! швидкосп i коефщенпв стiйкостi вiд вповзання колiс на рейки при юнуючих зносах ходових частин. За результатами буде прийняте ршення щодо вiдновлення швидкiсного руху маршруту № 2. З накопиченням досвщу плану-еться переведення усiх поiздiв розглянутого рудного напрямку на нову технолопю.
Згiдно до розрахункiв доцента кафедри еко-номiки та менеджменту ДИТу О. М. Гненного, перехщ на швидкiсний рух усiх рудних поiздiв вiд Кривого Рогу до Ужгорода дозволить при юнуючому об'емi перевезень скоротити потребу у вагонах - на 690 одиниць, у локомотивах -на 11 одиниць. Загальний рiчний розрахунко-вий ефект - 275 млн грн.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Работа железнодорожного пути при обращении грузовых поездов со скоростями 90-100 км/ч // Тр. ВНИИЖТ, вып. 614. - М. Транспорт, 1979.
- 81 с.
2. Ляпунов А. М. Собр. соч. - Т. 2. - М.-Л., 1956. -263 с.
3. Лазарян В. А. Устойчивость движения рельсовых экипажей / В. А. Лазарян, Л. А. Длугач, М. Л. Коротенко. - К.: Наук. думка, 1972. - 200 с.
4. Демин Ю. В. Автоколебания и устойчивость движения рельсовых экипажей / Ю. В. Демин, Л. А. Длугач, М. Л. Коротенко, О. М. Маркова.
- К.: Наук. думка, 1984. - 160 с.
5. Лысюк В. С. Причины и механизмы схода колеса с рельса. Проблема износа колес и рельсов. -М.: Транспорт, 1997. - 168 с.
6. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М.: ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. -317 с.
Надшшла до редколегп 23.05.2008.
