CC BY
58
Проблематика транспортных систем
УДК 625.1 7:625.1 51
Л. С. Блажко, В. Б. Захаров, Е. В. Черняев, Е. И. Шехтман
ПРОДЛЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ СТРЕЛОЧНОГО ПЕРЕВОДА ЗА СЧЕТ НЕРАВНОЖЕСТКОСТИ РЕЛЬСОВЫХ НИТЕЙ ПЕРЕВОДНОЙ КРИВОЙ
Дата поступления: 13.10.2017 Решение о публикации: 13.11.2017
Аннотация
Цель: Уменьшить боковой износ рельсовых элементов упорной нити бокового пути. Методы: Использованы сравнительный и расчетный методы исследования. Результаты: Выявлено, что для продления срока службы переводной кривой стрелочного перевода необходимо уменьшить боковое воздействие на наружную рельсовую нить переводной кривой за счет применения подрельсовых прокладок различной упругости. Практическая значимость: Применение подрельсовых прокладок различной упругости под наружной и внутренней рельсовыми нитями переводной кривой стрелочного перевода позволит повысить скорость движения подвижного состава на боковое направление стрелочного перевода или увеличить ресурс переводной кривой стрелочного перевода при неизменной скорости движения поездов.
Ключевые слова: Стрелочный перевод, переводная кривая, прокладка, жесткость под-рельсового основания, колесная пара, силы сопротивления, прогиб рельса
Ludmila S. Blazhko, D. Sci. Eng., professor, head of a chair, vice-principal; Vladislav B. Zakharov, Cand. Sci. Eng., associate professor; *Yevgeniy V. Chernyayev, Cand. Sci. Eng., associate professor, chernyaev@pgups.ru; Yevgeniy I. Shekhtman, Doctor of Military Science, professor, director@sptgt.ru (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University). POINTWORK SERVICE LIFE EXTENSION BY MEANS OF UNEVEN STIFFNESS OF TURNOUT CURVE RAILS LINE
Summary
Objective: To reduce side wear of rail elements of side track backing-up rail. Methods: Comparative and computational methods were applied in the study. Results: It was detected that in order to extend the pointwork turnout curve service life, it is necessary to reduce the side impact on an outer rail by using rail pads of diverse elasticity. Practical importance: Application of rail pads of
diverse elasticity under the outer and inner rails of a pointwork turnout curve makes it possible to increase the speed of rolling stock movement on the side direction of pointwork and increase the life of a pointwork turnout curve with fixed train speed.
Keywords: Pointwork, turnout curve, rail pad, rail roadbed roughness, wheel pair, resistance forces, rail deflection.
Стрелочные переводы являются наиболее сложной и дорогостоящей конструкцией пути. На укладку и замену стрелочных переводов ежегодно расходуется до 14 % средств на капитальный ремонт и реконструкцию пути ОАО «РЖД». От надежности и долговечности стрелочных переводов во многом зависит и безопасность движения поездов.
За последнее десятилетие выполнен комплекс работ по усилению и оздоровлению стрелочного хозяйства железных дорог. В главных путях наличие стрелочных переводов тяжелого типа доведено до 95 %, а стрелочных переводов на железобетонном основании превысило 75 %. Сведено до минимума наличие в эксплуатации дефектных стрелок и крестовин. Внедрены более совершенные и эффективные конструкции соединений и пересечений железнодорожных путей [1, 2]. Вместе с тем требуют модернизации и повышения надежности некоторые типовые конструкции стрелочных переводов.
Для этих целей на заседаниях секции «Путевое хозяйство» научно-технического совета ОАО «РЖД» разрабатываются и утверждаются программы модернизации и совершенствования стрелочных переводов. Одной из важнейших задач такой программы, реализуемой в настоящее время, является повышение ресурса стрелочных переводов [3, 4].
Постановка вопроса
Прохождение кривых радиусом менее 950 м обязательно сопровождается проскальзыванием. В отсутствие возвышения в кривой (что имеется в стрелочном переводе) внутренняя рельсовая нить разгружена за счет перегрузки наружной, продольное скольжение происходит по внутренней нити кривой (полевому рельсу) в сторону, противоположную движению поезда. Все это ведет к повышенному износу остряковых рельсов и рельсов соединительного пути.
У тележек для нормальной колеи (1520 мм) с колесной базой 1,85 м в кривых радиусом менее 1200 м при малой конусности колес и уменьшенном зазоре в колесе имеется гребневой контакт.
В переводных кривых стрелочных переводов эффект чистого качения соответствует такому поперечному смещению колесной пары к наружному
рельсу, при котором разность диаметров качения двух колес позволяет колесной паре кинематически катиться по рельсам.
Если поперечное смещение колесной пары недостаточно, то при качении появляется крип, или относительное проскальзывание. Величина крипа и возникающие при этом силы прямо пропорциональны смещению центра масс колесной пары относительно оси пути и углу конусности колеса.
Моменты сил поперечного крипа, возникающие из-за наличия углов набегания колеса на рельс и направленные против часовой стрелки, оказываются больше моментов в направлении по часовой стрелки, возникающих от сил продольного крипа, поэтому должны быть дополнены силами на гребне. При этом имеется контакт между гребнем колеса и рельсом.
Таким образом, можно сформулировать одну из актуальных проблем в стрелочном переводе - уменьшение бокового износа рельсовых элементов упорной нити бокового пути.
Пути решения
Указанную проблему сегодня решают различными способами. Одним из них является использование бейнитной стали взамен высокомарганцевой. Применение стали, легированной хромом, позволяет повысить износостойкость рельсов, как минимум, в 1,3 раза. Однако данное предложение едва ли применимо из-за высокой стоимости таких рельсов в настоящее время.
Альтернативой указанному способу в зарубежной практике служит запатентованный способ KGO® (Kinematic Gauge Optimization) [5], где отправными точками являются коничность бандажа колеса и зазор между гребнем колеса и рабочей гранью рельса.
Когда колесная пара входит в стрелку, с учетом бокового смещения криволинейного остряка относительно прямолинейного направления точка контакта между колесом и рельсом смещается и гребень колеса набегает на рабочую грань рельса под определенным углом. В результате этого нарушается плавность движения подвижного состава, уменьшается комфортабельность езды пассажиров, возрастает износ упорной рельсовой нити.
Регулируя ширину колеи в стрелке и по длине переводной кривой стрелочного перевода, можно достичь такого положения колесной пары и точек контакта колеса и рельса, при котором угол набегания колеса на рельс будет оптимальным.
Данный способ обеспечивает более эффективное использование разницы радиусов качения колес, что позволяет снизить боковые силы в стрелочном переводе до 50 % и продлить жизненный цикл стрелочного перевода в 4-8 раз.
Способ продления срока службы, предлагаемый ПГУПС
Сущность предлагаемого ПГУПС способа продления срока службы переводной кривой стрелочного перевода [6] заключается в уменьшении бокового воздействия на наружную рельсовую нить переводной кривой за счет применения подрельсовых прокладок разной упругости.
Основное удельное сопротивление движению можно рассматривать как сумму сопротивления:
• от качения колес, а в некоторых случаях - и скольжения колес по рельсу;
• степени коничности бандажа;
• виляния тележек вагона в рельсовой колее;
• трения шеек осей колесных пар в подшипниках;
• упругого прогиба пути;
• воздушной среды [7, 8].
Сопротивление от упругого прогиба пути зависит от характеристик, главнейшие из них: модуль упругости рельсового основания, момент инерции сечения рельса относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести сечения рельса, длина брусьев и эпюра их раскладки, род балласта и его состояние, усилие, передаваемое от колеса на рельс и др.
На колесо тележки при ее движении действует трение качения, характеризуемое моментом сопротивления движению. За счет упругого прогиба рельса под вертикальным давлением колеса на рельс движущиеся колеса как бы гонят перед собой «упругую волну» по головке рельса. За колесами также следует волна, но несколько меньших размеров из-за остаточных деформаций в рельсах. Колесо во время движения по рельсу преодолевает некоторый подъем, и на это затрачивается определенная энергия движения подвижного состава.
Физическая природа трения качения обусловлена следующими явлениями. Под действием нагрузки от колеса на рельс Ро = g/2 (где - нагрузка от колеса на рельс; g - ускорение свободного падения) последнее деформируется (рис. 1).
Таким образом, при качении возникают потери энергии на упругий гистерезис (упругую деформацию под нагрузкой и восстановление формы материала рельсов). Вследствие упругого проскальзывания колес по рельсам появляется трение скольжения. Под поверхностью трения возникает деформация пластического сдвига, которая сопровождается значительным рассеиванием энергии.
Также энергия затрачивается на разрушение фрикционных связей между колесами и рельсами, возникающих в результате молекулярного взаимодействия их поверхностей (адгезии), но в данном случае ею пренебрежём.
Обозначим силу тяги, приложенную в центре О для преодоления силы трения качения, символом Г. Под действием нагрузки Р деформируется мате-
Рис. 1. Образование силы сопротивления движению от качения колеса по рельсу
риал, под действием силы Г происходит качение, образуются «упругая волна» впереди колеса и явление упругого гистерезиса, в результате которого эпюра сжатия становится несимметричной относительно вертикальной оси, и равнодействующая N перемещается в точку С. Разложим N на составляющие и напишем уравнение равновесия колеса по проекциям сил на оси: Г - Жтк = 0 и Ро - Р = 0. Пара сил Г и Жтк стремится перекатывать колесо, а пара сил Ро и Р препятствует этому. Момент Р 5 пары сил Ро и Р называют моментом сопротивления качению, а 5 - плечом трения качения.
При равномерном движении реактивный момент трения качения Р 5 равен активному моменту силы тяги Ж Ок / 2, приложенному к колесу. Тогда полное (для колесной пары) и удельное сопротивление движению, обусловленное трением качения,
Жтр = 1000^о 8 5
Д,
где - нагрузка от колеса на рельс; 5 - ордината переноса точки приложения равнодействующей силы относительно вертикальной оси при приложении силы Г; Ок - диаметр колеса экипажа, м.
При движении по стрелочному переводу полностью груженого вагона на тележках ЦНИИ-Х3-0 со скоростью 50 км/ч уменьшаются или увеличиваются вертикальные нагрузки от колебаний кузова на рессорах (галопирование, подпрыгивание, боковая качка). Появление дополнительных сил равновероятно как на правой, так и на левой стороне колесной пары.
Расчетная схема (рис. 2) и промежуточные расчеты [9] показали, что разница вертикальной нагрузки от колес на рельс между наружной и внутренней рельсовой нитью переводной кривой составит -13 %.
При движении подвижного состава максимальный прогиб рельса с определенной долей упрощения можно определить по методике ЦПТ-52/14 [9]
Рис. 2. Расчетная схема: Р и Р2ш - нагрузка от кузова на шейки оси колесной пары;
Рр и Р2Р - нагрузка от колес на рельсы; М1 и М2 - моменты, действующие на шейки оси; а1 и а2 - расчетные консоли шеек оси; 7р - рамная сила; /р - расстояние от головки рельса до места приложения рамной силы; 1н - центробежная сила; Нц - расстояние от головки рельса до места приложения центробежной силы; Г и - силы трения гребня и поверхности катания колес по рельсам, соответственно; N и N - реакции рельсов; 5'1 - расстояние между точками контакта колес с рельсами; 5*ш - расстояние между точками приложения сил к шейкам оси
для конструкции стрелочного перевода с обычными прокладками и прокладками повышенной упругости (в дальнейшем требуется экспериментально получить расчетные характеристики).
Разница в сопротивлении для движения от прогиба рельсов составит порядка около 20 %% [10].
Поперечная боковая сила, возникающая при движении поездов на боковое направление со скоростью 50 км/ч (Я = 300 м, к = 0 мм, 5 = 1530 мм) при применении под наружной рельсовой нитью переводной кривой стрелочного перевода обычных прокладок, а под внутренней - прокладок с повышенной упругостью, уменьшается на 15 %.
Выводы
Применение прокладок различной упругости под наружной и внутренней рельсовыми нитями переводной кривой стрелочного перевода позволяет повысить скорость движения подвижного состава на боковое направление
стрелочного перевода или увеличить ресурс переводной кривой стрелочного перевода при неизменной скорости движения поездов.
Библиографический список
1. Альбрехт В. Г. Дальнейшее совершенствование стрелочных переводов / В. Г. Альбрехт, H. H. Путря // Железнодорожный транспорт. - 1973. - № 10. - С. 67-71.
2. Д. Армстронг Развитие конструкций стрелочных переводов / Д. Армстронг // Железные дороги мира. - 1987. - № 8. - С. 67-68.
3. Дитце Х. У. Меры по уменьшению износа стрелочных переводов / Х. У. Дитце, Х. П. Мюллер // Железные дороги мира. - 1991. - № 4. - С. 64-65.
4. Елсаков H. H. Повышение прочности и долговечности стрелочных переводов / H. H. Елсаков, Б. Н. Веденисов, А. В. Комаров, С. П. Надежин // Железнодорожный транспорт. - 1978. - № 6. - С. 49-54.
5. Oswald J. R. Turnout Geometry Optimization with Dynamic Simulation of Track and Vehicle / J. R. Oswald // Annual conf., American Railway Eng. and Maintenance of Way Association. - Dallas, 2000.
6. Пат. на полезную модель № 173562 от 30.08.2017 г.
7. Астахов П. П. Сопротивление движению железнодорожного подвижного состава / П. П. Астахов. - М. : Транспорт, 1966.
8. Шахунянц Г. М. Железнодорожный путь : учеб. для вузов железнодорожного транспорта / Г. М. Шахунянц. - М. : Транспорт, 1969. - 536 с.
9. ЦПТ-52/14. Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности.
10. Яковлева Т. Г. Основы устройства и расчетов железнодорожного пути : учеб. пособие для вузов ж.-д. транспорта / Т. Г. Яковлева, В. Я. Шульга, С. В. Амелин и др. - М. : Транспорт, 1990. - 367 с.
References
1. Albrekht V. G. & Putrya N. N. Further improvement of points [Dalneysheye soversh-enstvovaniye strelochnykh perevodov]. Railway transport [Zheleznodorozhnyi transport], 1973, no. 10, pp. 67-71. (In Russian)
2. Armstrong D. The development of pointwork constructions [Razvitiye konstruktsiy strelochnykh perevodov]. The world railroads [Zhelezniye dorogy mira], 1987, no. 8, pp. 67-68. (In Russian)
3. Dietze H. U. & Muller H. P. Measures for pointwork wear reduction [Mery po umen-sheniyu iznosa strelochnykh perevodov]. The world railroads [Zhelezniye dorogy mira], 1991, no. 4, pp. 64-65. (In Russian)
4. Yelsakov N. N., Vedenysov B. N., Komarov A. V. & Nadezhyn S. P. Pointwork strength and durability improvement [Povysheniye prochnosty i dolgovechnosty strelochnykh perevodov]. Railway transport [Zheleznodorozhnyi transport], 1978, no. 6, pp. 49-54. (In Russian)
5. Oswald J. R. Turnout Geometry Optimization with Dynamic Simulation of Track and Vehicle. Annual conf., American Railway Engineering and Maintenance of Way Association Publ., 2000, Dallas, Texas, USA.
6. Useful model patent no. 173562 dated August 30th 2017 [Patent na poleznuyu model no. 173562 ot 30 avgusta 2017g]. (In Russian)
7. Astakhov P. P. Resistance to movement of the rolling stock [Soprotyvleniye dvyzheniyu zheleznodorozhnogo podvyzhnogo sostava]. Moscow, Transport Publ., 1966. (In Russian)
8. Shakhunyants G. M. Zheleznodorozhniy put [Railway track]. Moscow, Transport, 1969. 536 p. (In Russian)
9. CPT-52/14. The method of rolling stock impact assessment on track by conditions of its reliability control [TsPT-52/14. Metodyka otsenky vozdeystviya podvyzhnogo sostava na put po usloviyam obespecheniya yego nadezhnosty]. (In Russian)
10. Yakovleva T. G., Shulga V. Y., Amelyn S. V. et al. Fundamentals of track construction and calculations [Osnovy ustroystva i raschetov zheleznodorozhnogo puty]. Moscow, Transport Publ., 1990. 367 p. (In Russian)
БЛАЖКО Людмила Сергеевна - доктор техн. наук. профессор, заведующая кафедрой, проректор; ЗАХАРОВ Владислав Борисович - канд. техн. наук, доцент; *ЧЕРНЯЕВ Евгений Владимирович канд. техн. наук, доцент, chernyaev@pgups.ru; ШЕХТМАН Евгений Иосифович, доктор воен. наук, профессор, director@sptgt.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
