Уменьшение угла набегания трехосных тележек локомотивов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.4.027.2

АС. ЕВСТРАТОВ, д-р техн. наук, ФГУП ВНИКТИ (Россия) ВС. КОССОВ, д-р техн. наук, ФГУП ВНИКТИ (Россия)

УМЕНЬШЕНИЕ УГЛА НАБЕГАНИЯ ТРЕХОСНЫХ ТЕЛЕЖЕК ЛОКОМОТИВОВ

У робот представлена розроблена у ВН1КТ1 конструкщя Bi3Ka тепловоза 2ТЭ116 з мехашзмом примусово! змши кута нaбiгaння колюних пар у paмi вiзкa.

В работе представлена разработанная во ВНИКТИ конструкция тележки тепловоза 2ТЭ116 с механизмом принудительного изменения угла набегания колесных пар в раме тележки.

The mechanism of radial wheelset positioning due to the central acceleration provides efficient reduction of the angle of attack and of a lateral displacement. The results obtained theoretically are confirmed by tests.

Во ВНИКТИ разработана конструкция тележки тепловоза 2ТЭ116 с механизмом принудительного изменения угла набегания колесных пар в раме тележки (рис. 1). Продольные силы тяги от первой и третьей колесных пар на раму передаются стержнем 5 на продольной оси тележки. Поводки передают лишь рамные силы (в продольном направлении имеют зазор 15 мм). Крайние колесные пары получили возможность углового перемещения. Продольная жесткость одной буксы в раме тележки снижается с 100-106 до 0,66-106 Нм-1 за счет деформации изгиба буксовых пружин. Вторая колесная пара при движении в кривой сдвигается к наружному рельсу от продольной оси рамы тележки. Эта особенность вписывания используется для разворота крайних колесных пар, то есть для установки первой и третьей колесных пар с перекосом в раме тележки. Поперечное смещение второго колесно-моторного блока (КМБ) через упруго-шарнирные поперечные тяги 4 вызывает разворот крайних колесных пар на определенный угол (рис. 2). Так, при

смещении у2 = 12 мм, первая и третья колесные пары развернутся на угол а д = 13 мрад. На эту

величину изменятся углы набегания первой и третьей колесных пар.

Типовая методика определения сил трения в контакте колес с рельсами не учитывает зоны упругого скольжения колес, коничность бандажей, перекос колесных пар в раме тележки, положение колесной пары в колее. Без этого невозможно оценить эффективность поворота колесных пар и определить силовые факторы. В основе существующей методики динамического вписывания в кривые заложен принцип разложения абсолютной скорости движения экипажа на поступательное перемещение полюса качения и поворота экипажа вокруг полюса за счет скольжения в точках контакта колес с рельсами. Полюс вращения экипажа располагается в основании перпендикуляра, опущенного на продольную ось экипажа из мгновенного центра вращения - центра кривой.

I

' 1 г ■ ¡1 КЗ1 ^ ( —1—

ff _ ^ ^ ^ —Zfi -(V

1

Tr.Lll.

\

РЛ5

■ J г I

4

2 3 2

Рис. 1. Тележка тепловоза 2ТЭ116 с механизмом разворота крайних колесных пар: 1 - рама тележки; 2 - крайние колесные пары; 3 - средняя колесная пара; 4 - поперечные тяги; 5 - продольные тяги

Рис. 2. Установка тележки в кривой Я = 300 м: а - серийное исполнение тележки; б - тележки с механизмом разворота колесных пар;

аь а2, а3 - углы набегания

При учете коничности бандажей и углов набегания колесных пар методически расчет вписывания следует начинать с определения координат колесных пар в колее. Каждая колесная пара движется по своей траектории, и возникающие в точках контакта с рельсами силы определяют иное положение продольной оси тележки в колее, чем это было без учета конусности бандажей и перекосного положения колесной пары.

Корректировка методики расчета сводится к нескольким принципиальным поправкам: принимаются во внимание силы упругого проскальзывания в точках контакта колес с рельсами (крип), разность диаметров и коничность бандажей, неперпендикулярность оси колесной пары к продольной оси рамы тележки (доворот и перекос); силы трения в относительном движении определяются положением колесной пары в колее с учетом зоны крипа и полюсных расстояний тележки.

Показатели динамического вписывания (ПДВ), когда проскальзывание колес учитывается максимальным значением силы трения в контактах колес с рельсами, все силовые факторы могут быть завышены, так как существуют режимы движения, когда I < /0. В этом случае текущее значение коэффициента трения / или его отношение к номинальному значению /0 зависит от скорости относительного скольжения (отношение скорости скольжения к скорости переносного движения (1):

I: I _ IVк / V). (1)

В откорректированной методике вместо сил сухого трения в относительном движении вводится относительное скольжение, по которой далее определяется фактический коэффициент трения, соответствующий этой скорости. При движении в кривой скорости скольжения колес направлены перпендикулярно прямой, соединяющей точку контакта с полюсом поворота. Для первой по ходу колесной пары это расстояние равно 1 + х 2 .

Учитывая равенство угловых скоростей переносного О и относительного ю движений, получим:

V

ю _О_-

Я

У„

V П — - Л/ х1

Я Л/ 1

х2 + X2

Относительная скорость скольжения колеса равна:

л/х12 + Х 2 . г = А. г = х

V

г_ск_

V

Я

Я

Я

(2)

где г _

V

V

- полное скольжение;

<гх _ — - продольное скольжение колеса; г х

ст _ — - поперечное скольжение колеса.

у Я

Относительная скорость продольного скольжения с учетом коничности бандажей и разности диаметров колес 2 Аг равна:

^ =2(к -

к s ■ г

Лг) = 25(1 -1), (3) к р

где р - радиус конуса качения,

5 ■ Г

Р=-

1У

Первое слагаемое в формуле (3) - путь, проходимый скольжением, второе - качением. Разница диаметров колес способствует уменьшению относительного проскальзывания и когда второе слагаемое будет равно первому, продольного скольжения не будет. Скольжение из-за разности пути наружного и внутреннего колеса будет скомпенсировано качением колес.

Разница диаметров колес 2Лг в первую очередь возникает от поперечного смещения колесной пары в колее. Так, для первой набегающей колесной пары при номинальном зазоре в колее 14 мм и уширении колеи в 10 мм в кривой Я=300 м смещение от среднего положения

равно 12 мм и Лг для одного колеса равно:

Л 1 ■ 12 06

Лг = IV =-= 0,6 мм.

20

Расчеты в зоне упругого скольжения производились по обобщенной кривой второго порядка близкой к кривой С.М. Андриевского и Н.Н. Меншутина при ^ = 0,25. По этим зависимостям определен линейный участок силы крипа: прямая линия от начала координат до точки, в которой = 0,0015, ^о = 0,6. Для этого участка коэффициент крипа на колесо равен:

Р„

К--

Реп,' /0 ■ 0,6

= 11250кЯ:

15 -104

где Рст - осевая нагрузка на колесо.

Примерно такой уровень коэффициента крипа принят в ряде работ для линейного участка при исследовании колебаний виляния локомотивов. Так, профессор Медель В.Б. принимает К = 15000 кН., профессор Савоськин А.Н. для электровоза принимает К = 10465 кН. Для поперечного крипа принята аналогичная зависимость по данным японских авторов.

В результате расчетов получены все основные показатели динамического вписывания в кривую радиусом 300 м с возвышением наружного рельса 90 и 150 мм. Расчеты выполнены по типовой и новой, откорректированной, методике, учитывающей зону упругого скольжения, коничность бандажей и др. факторы. Одновременно проведено компьютерное моделирование колебаний тепловоза как сложной колебательной системы с 78 степенями свободы. Результаты для пути без неровностей совпали с квазистатическим вписыванием по откорректированной методике.

Сопоставление основных результатов динамического вписывания при учете сил сопротивления в виде сухого трения или в виде упругого скольжения дает существенно различные результаты, а именно, силовые показатели вписывания во втором случае заметно уменьшаются.

Эффект доворота крайних осей тележки проявляется по величине полюсных расстояний и соответствующих им углов набегания (см. рис. 2). В опытном варианте благодаря доворо-ту колесных пар рама тележки занимает хордовую установку, и ее полюсное расстояние уменьшается в 4... 5 раз. При этом для первой колесной пары угол набегания снижается в рабочем диапазоне скоростей до нуля или даже становится отрицательным (предварение набегания - Ь1 смещено назад от точки контакта круга катания). При скоростях более 60 км/ч эффект доворота несколько снижается. Угол набегания первой колесной пары в тележке с доворотом вообще невелик из-за хордовой установки тележки.

Направляющее усилие (рис. 3) первой оси при наличии доворота снижается во всем диапазоне скоростей: для серийного варианта они растут от 54,7 до 101,4 кН при V = 80 км/ч, в опытном варианте соответственно от 20 до 90 кН.

60 V, км/ч

60

60 У.км/М

Рис. 3. Направляющие усилия колесных пар Уь У2, У3 в кривой Я=300м, И=190мм: х - серийное исполнение тележки; О- с доворотом колесных пар.

Важным показателем склонности экипажа к подрезу гребней является фактор износа Ф, равный произведению направляющего усилия на угол набегания. Этот показатель отражает процессы износа гребней колеса и боковой грани рельса. Так, для первой колесной пары среднее значение Ф при скорости 80 км/ч равно для серийного варианта 1,2 кН-рад, а для опытного 0,6, то есть снижается в 2 раза.

Основной эффект от применения механизма доворота достигается за счет снижения поперечных составляющих сил трения, на первой оси они снижаются примерно в 2 раза. Одним из основных нормируемых показателей динамических качеств является величина отжатия наружного рельса. Как видно из рис 4, вариант с доворотом колесных пар дает эффект во всем диапазоне скоростей. Снижение составляет от 0,5 до 1,5 мм. е1, мм

V,

Рис. 4. Отжатие наружного рельса в кривой Я=300м, И=250мм: х - серийное исполнение тележки; О - с доворотом колесных пар

Выводы

1. Для расчета квазистатического вписывания подвижного состава в кривые в существующую методику внесены ряд изменений: для каждой колесной пары, упруго связанной с рамой тележки, устанавливается свое полюсное расстояние (и угол набегания); учитывается коничность бандажей и силы крипа. Откорректированная методика расчета рекомендуется для практического применения.

2. Применение механизма радиальной установки путем доворота крайних колесных пар за счет разбега средней колесной пары является высокоэффективным с точки зрения снижения износа бандажей и динамического воздействия на путь. Благодаря довороту колесных пар третья колесная пара приобретает положительный угол набегания и отодвигается к наружному рельсу, рама тележки занимает во всем диапазоне скоростей хордовую установку, ее угол набегания снижается в 1,5.. .2 раза.

3. Учет зоны упругого скольжения колес открывает новую возможность определения распределения силы тяги по колесам. Считалось, что оно распределяется между правым и левым колесом 50:50, то есть поровну. Однако на практике и по расчетам это не подтверждается.