Влияние характеристик буксового узла и боковых скользунов тележки грузового вагона на износ колес Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.4.027.51

А. В. Саидова

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК БУКСОВОГО УЗЛА И БОКОВЫХ СКОЛЬЗУНОВ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА НА ИЗНОС КОЛЕС

Целью исследования является оценка влияния конструкций современных тележек грузовых вагонов на износ колес при движении по прямым и криволинейным участкам пути разных радиусов. В статье представлены графики зависимости темпа износа гребней и поверхностей катания колес от типа конструкции тележки, полученные по результатам моделирования в программном комплексе «MEDYNA». На основании полученных результатов многовариантных расчетов даны рекомендации о параметрах буксового узла и боковых скользунов, нашедшие применение в тележке модели 18-9889.

тележка, конструкция тележки, износ колес, моделирование износа.

Введение

Одной из проблем двухосных тележек эксплуатационного парка (модели 18-100 и ее аналогов) являются повышенные темпы износа колес. По данным [1] , темп износа гребней может достигать 6,2 мм за 10 тыс. км пробега. Такой темп износа приводит к необходимости обточки колес через 20 тыс. км, что является ограничением для назначения увеличенных межремонтных пробегов.

Поставлена задача достижения межремонтного пробега инновационными тележками 500 тыс. км. В работе с использованием динамической модели движения вагона, дополненной моделью абразивного износа колес [2], выполнена оценка влияния характеристик подвешивания и боковых скользунов на износ гребня и износ поверхности катания колес; даны рекомендации, использованные в тележке модели 18-9889, созданной в рамках субсидии Министерства образования и науки 2010-218-01-228 [3].

1 Исходные данные, использованные в расчетах

В качестве базового вагона для выполнения расчетов выбран груженый универсальный полувагон с осевой нагрузкой 25 тс. База вагона составляет

170

8,65 м, база тележки - 1,85 м, высота центра масс кузова груженого вагона над УГР - 2,3 м, диаметр колес по кругу катания - 950 мм. Порожний режим движения вагона не рассматривался в связи с большей наглядностью результатов расчета износа в груженом режиме.

Использованная математическая модель движения вагона подробно представлена в [4]. Инерционные характеристики базового вагона приведены в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1. Инерционные характеристики вагона

Элемент вагона Масса, кг Главный центральный момент инерции, кгм2

для продольной оси для поперечной оси для вертикальной оси

Кузов груженый 90 000 92 136 1 292580 1 356670

Боковая рама* 584,0 15,5 195,4 180,0

Надрессорная балка** 832,0 450,9 11,2 455,0

Колесная пара 1500 1300 170 1300

Примечания:* Учитывается 2/3 веса рессорного комплекта. ** Учитывается 1/3 веса рессорного комплекта.

Рессорное подвешивание тележки базового вагона состоит из комплекта двухрядных цилиндрических пружин (две под фрикционными клиньями и семь под надрессорной балкой). Горизонтальная жесткость пружин под надрессорной балкой составляет 2,690 МН/м, угловая жесткость на поворот надрессорной балки при «забегании» боковых рам - 4,270 МНм/рад. Горизонтальная жесткость одной двухрядной подклиновой пружины составляет 0,203 МН/м, вертикальная - 0,287 МН/м. Коэффициент относительного трения подвешивания 0,12.

Конструкцией упоров в буксовом проеме и адаптера подшипника предусмотрены зазоры в продольном и поперечном направлениях (±3,5 мм и ±4,0 мм соответственно). Коэффициент трения на поверхности контакта боковой рамы с адаптером составляет 0,3.

На надрессорной балке установлены боковые скользуны постоянного контакта. Подпятник имеет диаметр 350 мм, коэффициент трения в связи пятник-подпятник и на поверхности скользуна 0,3.

В таблице 2 представлены отличительные характеристики вагонов для рассматриваемых расчетных случаев.

Для второго расчетного случая момент трения в скользунах на поворот тележки под вагоном был увеличен по сравнению с таковым для базового вагона на 11 %.

171

ТАБЛИЦА 2. Параметры скользунов и буксовых узлов вагонов в расчетных случаях

Параметр Расчетный случай

1 (базовый вагон) 2 3 4 5

Момент трения в скользунах на поворот тележки под вагоном, кНм 6,36 7,06 Зазор 8 мм 6,36 7,06

Жесткость упругого элемента скользуна на сжатие (в вертикальном направлении), МН/м 1,616 0,668 Жесткий скользун 1,616 0,668

Жесткость упругого элемента скользуна на сдвиг, МН/м 2,400 1,051 Жесткий скользун 2,400 1,051

Статический прогиб упругого элемента при постановке вагона, мм 19 23 Жесткий скользун 19 23

Максимальный динамический прогиб упругого элемента, мм 14 12 Жесткий скользун 14 12

Связь колесной пары с боковой рамой Фрикци- онная Фрикци- онная Фрикци- онная Упруго-фрикционная (рис. 1) Упруго-фрикционная (рис. 1)

В третьем варианте зазор между опорной поверхностью скользуна и соответствующей пластиной на кузове вагона был принят равным 8 мм по аналогии с номинальным размером зазоров в жестких скользунах тележки 18-100.

В четвертом случае исследовалось влияние наличия упругой связи боковых рам с колесными парами (параллельно с сухим трением на опорной поверхности) на износ профилей колес.

Влияние на износ профилей колес упругофрикционной связи боковых рам с колесными парами одновременно с увеличенным моментом трения в скользунах рассмотрено в пятом расчетном случае.

Моделирование движения вагонов проводилось для прямого и кривых участков пути среднего и малого радиусов. На прямом участке пути и в кри-

172

Рис. 1. Продольная силовая характеристика упругой связи колесной пары с боковой рамой

вой радиусом 650 м движение осуществлялось со скоростью 90 км/ч, в кривой радиусом 350 м - 80 км/ч. Пробег составлял около 15 тыс. км.

Горизонтальные и вертикальные неровности рельсовых нитей по РД 32.68 [5] были отмасштабированы для соответствия ЦП-774 [6], чтобы отступления по ширине колеи, уровню и просадкам не превышали II степень при установленной скорости движения грузовых поездов 90 км/ч. Ширина колеи принималась равной 1520 мм.

Связь колес с рельсами описывалась нелинейной моделью, допускающей двухточечный контакт профилей. Упругий модуль сдвига рельса/колеса составлял 7,92^ 1010 Н/м2, коэффициент Пуассона = 0,28. Неизношенный профиль колес тележек принимался по ГОСТ 10791 [7].

В модели изнашивания колеса использованы следующие параметры

[8]:

- коэффициент износа 1,9 10-6 г/Нм для стадии сильного износа;

- коэффициент износа 1,3 10-6 г/Нм для стадии слабого износа;

- отношение мощности сил трения в пятне контакта колеса с рельсом к его площади, соответствующее переходу от слабого износа к сильному, 0,7 МВт/м2;

- коэффициент трения на поверхности катания 0,25;

- коэффициент трения на гребне 0,30.

173

2 Результаты расчета износа профилей колес

Результаты расчета темпа износа (мм /10 тыс. км) профилей колес рассматриваемых вагонов представлены на рисунке 2. Износ гребня измерялся по горизонтали на высоте 18 мм от вершины гребня, поверхности катания -на расстоянии 70 мм от наружной грани колеса.

Анализ результатов расчета показал:

- увеличение момента трения в скользунах постоянного контакта на поворот тележки под вагоном на 11 % способствует незначительному изменению темпа износа гребней колес и уменьшению темпа износа поверхности катания колеса в кривой радиусом 350 м до 18 %;

- установка жестких скользунов с зазором вместо упругих способствует снижению темпа износа гребней колес до 24 % в прямых и увеличению темпа износа поверхностей катания до 104 % в прямых и кривых большого радиуса, а также увеличению темпа износа поверхностей катания до 64 % в кривых малого радиуса;

- наличие упругой связи колесных пар с боковыми рамами способствует незначительному изменению темпов износа гребней колес и снижению темпа износа поверхностей катания до 25 % на прямой (снижение в кривых до 6 %);

- применение в тележках скользунов постоянного контакта, обеспечивающих момент трения на поворот тележки под вагоном на 11 % больше по сравнению с базовым вагоном, и упругой связи колесных пар с боковыми рамами способствует незначительному изменению величин износов в прямых участках пути и кривых большого радиуса, снижению износа гребней колес до 20 % в кривой радиусом 350 м, поверхностей катания - до 31 % для всех участков пути.

Таким образом, применение в современных вагонах тележек с упругой связью колесных пар с боковыми рамами в сочетании с корректно подобранным моментом трения скользунов постоянного контакта способствует уменьшению темпов износа гребней колес в кривых малого радиуса до 17 % и поверхностей катания для всех участков пути до 135 % по сравнению с таковыми для тележки с жестким буксовым узлом и скользунами с зазором (аналог 18-100).

Заключение

По результатам выполненных в программном комплексе MEDYNA расчетов износа профилей колес установлено:

- существенное снижение износа поверхности катания колеса может быть достигнуто за счет установки в тележках упругих скользунов постоянного контакта вместо жестких с зазором (уменьшение износа до 104 %

174

Рис. 2. Результаты расчета темпа износа гребней и поверхностей катания колес,

первых по ходу движения тележек

Темп износа гребня правого колеса второй колесной пары, мм/10 тыс. км

Темп износа гребня левого колеса второй колесной пары, мм/10 тыс. км

Темп износа гребня правого колеса первой колесной пары, мм/10 тыс. км

Темп износа гребня левого колеса первой колесной пары, мм/10 тыс. км

■ г- и в

L0 4^ W N

< < О

s ё §

s W

I 3

^ Е

Я О

И

СО W

а 2 я 2 л Е 2 я<

5 S Е о я< ч

3 S

Я

я<

0\

я<

у

О о о о о о о о о о о о о о о о

м То То Тп Л Vj о м То То Тп "(Л То со То м

я i

яо

II тз

СП S

л 03

о 03

£ 20

яо

II тз

LO S

л 03

о 03

2 20

"О

20

яо ^ и ~о

СГ> S (Л 00 О 03 2 »

яо т: и ~о

LO s (Л 00

О 01 2 *

О о о о о о о о

м То То Тп СГ» Tj со

О М NJ

О Тп М Тп hO Тп LO

"О

20

2

03

20

яо т:

II "О

л S

л 00

о 03

2 20

яо

II "О

LO S

л 00

о 03

2 20

Темп износа поверхности катания правого колеса второй колесной пары, мм/10 тыс. км

о о о о о о о о

о "м То То Тп л Vj То

Темп износа поверхности катания левого колеса второй колесной пары, мм/10 тыс. км

о о о О Н* Н* Н*

о То л оо То л

■О

20

2

03

20

яо т:

II ■О

л S

л 00

о 03

% ,20

яо

II ■О

LO S

л 00

о 03

2 20

Темп износа поверхности катания правого колеса первой колесной пары, мм/10 тыс. км

О NJ

О СП СП I4J СП

Темп износа поверхности катания левого колеса первой колесной пары, мм/10 тыс. км

L/1

в прямых и кривых большого радиуса и до 64 % в кривых малого радиуса), а также за счет использования упругой связи колесных пар с боковыми рамами (до 25 % в прямой);

- применение в тележках упругофрикционной связи колесных пар с боковыми рамами в сочетании со скользунами с корректно подобранным моментом трения способствует уменьшению темпов износа гребней колес в кривых малого радиуса до 17 %, поверхностей катания для всех участков пути - до 135 % по сравнению с таковыми для тележки с жестким буксовым узлом и скользунами с зазором (тележка модели 18-100).

Рекомендованные по результатам расчета характеристики буксового узла и боковых скользунов внедрены в тележке модели 18-9889 [9], разработанной в рамках субсидии Министерства образования и науки 2010-21801-228.

Библиографический список

1. Влияние параметров, характеризующих состояние тележек грузовых вагонов, на боковой износ гребней колес / А. М. Орлова, Е. И. Артамонов // Транспорт Урала. -2008. - № 3 (18). - С. 36-40.

2. Archard, J. F. (1953). Contact and rubbing of flat surfaces. Journal of Applied Physics, 24 (8), 981-988.

3. О выборе направлений создания инновационного грузового подвижного состава в России / Ю. П. Бороненко, А. М. Орлова, Л. В. Цыганская, В. А. Решетов // Вагонный парк. - 2011. - № 9. - С. 40-43.

4. Разработка математических моделей вагонов на тележках 18-9810 и 18-9855 для исследования износов колес / А. В. Саидова, А. М. Орлова // Тез. докладов ХШ Междунар. конф. «Проблемы механики железнодорожного транспорта. Безопасность движения, динамика, прочность подвижного состава и энергосбережение», 23.05-25.05.2012 / Днепропетровск : Днепропетр. нац. ун-т ж.-д. трансп. им. акад. В. Лазаряна, 2012. - С. 128-129.

5. РД 32.68-96. Расчетные неровности железнодорожного пути для использования при исследованиях и проектировании пассажирских и грузовых вагонов. - Введ. 1997-0101. - М. : ВНИИЖТ, 1996. - 17 с.

6. ЦП -774. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути. - М. : Транспорт, 2000. - 224 с.

7. ГОСТ 10791-2011. Колеса цельнокатаные. Технические условия. - Введ. 201201-01. - М. : Стандартинформ, 2011. - 33 с.

8. Уточнение некоторых параметров модели изнашивания колес грузового вагона / А. В. Саидова, А. М. Орлова // Известия Петербургского государственного университета путей сообщения. - 2013. - № 1 (34). - С. 147-151.

9. Конструкция тележек моделей 18-9889 и 18-9890 для инновационных четырех-и шестиосных грузовых вагонов / И. В. Турутин, А. М. Орлова, Е. А. Рудакова // Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. «Подвижной состав ХХ1 века : идеи, требования, проекты», 06.07-10.07.2011 / ПГУПС. - СПб. : ПГУПС, 2011. - С. 70-71.

© Саидова А. В., 2014

176