CC BY
66
Оригинальная статья / Original article УДК 629.4.015
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-2-170-180
ВЛИЯНИЕ ПРОФИЛЯ ПУТИ ГОРНОГО УЧАСТКА ВСЖД НА СИЛОВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ «КОЛЕСО-РЕЛЬС» С УЧЕТОМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВАГОНА-ЛАБОРАТОРИИ
© И.Ю. Ермоленко1
Иркутский государственный университет путей сообщения, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, Чернышевского, 15.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Изучение влияния геометрических параметров профиля пути на динамические характеристики силового воздействия в контакте системы «колесо-рельс». МЕТОДЫ. Учитывая геометрические параметры (возвышение наружного рельса, уширение колеи, уклон профиля пути и др.) представлена математическая модель движения вагона на исследуемом участке горного хребта в районе станции Большой Луг. В связи с большим объемом вычислений использована программа MathCad. Натурный эксперимент проводился в вагоне-лаборатории при движении по исследуемым сложным участкам Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД), Северобайкальского и Улан-Удэнского направлений. РЕЗУЛЬТАТЫ. Моделирование движения вагона позволило получить расчетные коэффициенты вертикальной динамики для различной скорости и сравнить их с нормируемыми параметрами. Натурный эксперимент раскрыл физическую природу и показал появление динамических нагрузок в определенных узлах вагона. ВЫВОДЫ. Полученные данные теоретических и практических исследований с использованием, в том числе вагона-лаборатории, позволили сравнить силовое взаимодействие подвижного состава на систему «колесо-рельс». Разработаны рекомендации по скоростному движению поездов и ограничению динамических нагрузок, возникающих в узлах подвижного состава при прохождении сложного участка пути.
Ключевые слова: вагон, железнодорожный путь, неровности пути, дефекты, система «колесо -рельс», вагон-лаборатория, динамические нагрузки.
Формат цитирования: Ермоленко И.Ю. Влияние профиля пути горного участка ВСЖД на силовое взаимодействие «колесо-рельс» с учетом экспериментальных параметров вагона-лаборатории // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 2. С. 170-180. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-2-170-180
EAST SIBERIAN RAILROAD MOUNTAIN TRACK PROFILE EFFECT ON "WHEEL-RAIL" FORCE INTERACTION WITH REGARD TO EXPERIMENTAL PARAMETERS OF A TRACK TEST CAR I.Yu. Ermolenko
Irkutsk State Transport University,
15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of this paper is to study the effect of track profile geometric parameters on the dynamic characteristics of force action in the wheel-rail system contact. METHODS. A mathematical model of the rail car movement on the researched mountain ridge section in the area of the station Bolshoi Lug is presented with the consideration of the geometric parameters (cant of the outer rail, gauge increase, track profile gradient, etc.). Due to the large amount of calculations, the program MathCad is used. A field experiment has been conducted in a track test railway car moving in the examined complex sections of the East Siberian Railroad of Severobaikalsk and Ulan-Ude directions. RESULTS. Through the simulation of rail car motion, we have obtained the estimated coefficients of vertical dynamics for different speeds and compare them with rationed parameters. The physical nature was revealed in the field experiment that showed the origination of dynamic loads at certain blocks of a rail car. CONCLUSIONS. The data obtained in theoretical and practical researches among them using a track test railway car made it possible to compare the rolling stock force interaction on the "wheel-rail" system. We have developed the recommendations on high speed train operation and lim i-tation of dynamic loads arising in the rolling stock blocks when passing a complex section of the track. Keywords: rail car, railway track, track irregularities, defects, "wheel-rail" system, track test railway car, dynamic loads
For citation: Ermolenko I.Yu. East Siberian Railroad mountain track profile effect on "wheel-rail" force interaction with regard to experimental parameters of a track test car. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 12, pp. 170-180. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-2-170-180
1
Ермоленко Игорь Юрьевич, аспирант, e-mail: [email protected] Ermolenko Igor, Postgraduate, e-mail: [email protected]
Введение
В статье рассматриваются проблемы обслуживания и эксплуатации подвижного состава на одном из участков Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД), который расположен в сложных геоклиматических и геологических условиях. Развернутая длина главных путей дороги -6188 км, в том числе федерального значения - 3848 км. Протяженность кривых составляет 45,1%, в том числе 25,4% с радиусами 250-650 м. Характерным является то, что исследуемый отрезок пути имеет
более 8000 правых/левых поворотов (рис. 1) [1].
Исследуемый железнодорожный путь состоит из прямых и кривых участков с чередующимися уклонами от 8 до 12%о (промилле). Силы взаимодействия пути и подвижного состава, характер колебаний вагонов и локомотивов связаны единой механической системой и зависят от состояния контактной поверхности рельса с колесом.
Виды дефектов эксплуатационного происхождения
Железные дороги нашей страны характеризуются чрезвычайно высокой интенсивностью использования всех элементов пути и особенно рельсов. Сложность взаимодействия подвижного состава с рельсами возникает также из-за эксплуатационных изменений конструкции верхнего строения пути. Определенные особенности в эксплуатации рельсов имеются на направлениях, прилегающих к регионам с суровыми климатическими условиями. К
ним относятся не только Сибирь и область Крайнего Севера, но и отдельные территории нашей страны, где имеются сложные рельефы местности. Колебания температур в этих районах создают условия для понижения коэффициента сцепления колес с рельсами [2], при этом надо учитывать скоростные режимы, состояние поверхности катания головки рельса (рис. 2) и знакопеременные динамические нагрузки.
Рис. 1. Участки и станции Восточно-Сибирской железной дороги с ограниченной пропускной способностью Fig. 1. Sections and stations of the East Siberian railway with limited railroad capability
Рис. 2. Дефекты на поверхности катания рельса Fig. 2. Defects on the rail head running surface
Исследование особенностей механизма образования дефектов эксплуатационного происхождения (выщерблины, трещины, износ, ползуны) на поверхности катания железнодорожных колес часто связывают с выщерблинами теплового происхождения, которые зарождаются в процессе торможения, особенно на кривых горных участках пути. При классификации этих дефектов выделяют три типа выщерблин:
- образование по светлым пятнам (ползун, выщерблина) (рис. 3);
- по усталостным трещинам;
- по сетке термотрещин (выкрашивание участков поверхности катания, на которых имеются поперечные термотрещины, возникающие вследствие нагрева тормозными колодками).
Рис. 3. Дефекты на поверхности катания колеса: а - ползун; b - выщербина Fig. 3. Defects on the rail head running surface: a - flat spot; b - chip
b
а
Из перечисленных типов выщерблин наиболее распространенными являются дефекты, которые образовались в результате теплового воздействия на поверхности катания колеса. Выщерблины тормозного происхождения образуются и развиваются в результате структурных изменений поверхностных слоев обода колеса при его движении юзом во время интенсивного торможения. При трении (более 5 сек) металл обода колеса нагревается до высоких температур и при прекращении торможения интенсивно охлаждается путем отвода тепла в массивный обод. Вследствие структурных изменений образуется так называемый «белый слой» на глубине 1,52,5 мм, который легко выкрашивается с контактной поверхности обода колеса в результате его эксплуатации. На рис. 4 представлена физическая картина теплового
взаимодействия системы «тормозная колодка - колесо» [3].
Анализ формы неисправностей, дефекты поверхностей катания рельса и колеса указывают на то, что природа поперечных сил (относительно движения вагона), действующих на ось колесной пары и достигающих значения с превышением в десятки тонн (допустимая максимальная боковая нагрузка от колесной пары на боковую поверхность рельса не более 9 тс (тонна-сила)), сегодня мало изучена, но точно известно, что она является определяющей в разрушении элементов конструкции тележек. Опыт эксплуатации показывает наличие этих недопустимых боковых сил (более 18-20 тс), которые могут приводить к разрыву одновременно нескольких болтов М20 (рис. 5), удерживающих торцевую шайбу на оси колесной пары2.
Рис. 4. Наволакивание металла при взаимодействии тормозной колодки и колеса Fig. 4. Galling under brakeblock and wheel interaction
Рис. 5. Обрыв головки болтов М20 торцевого крепления на шейке оси РУ1Ш Fig. 5. Failure of bolt heads M20 of end tightening on the axle journal RU1SH
2
Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм. М.: Изд-во ГосНИИВагоно-строения, 1996 / Rules for the calculation and design of railway cars of 1520 mm track. Moscow, GosNIIVagonostroeni-ya Publ, 1996.
Материал и методы исследования
Взаимодействие колесной пары с рельсовой колеей лежит в основе единого понятия функционирования железнодорожного транспорта. При этом ключевым элементом взаимодействия является способность колесной пары изменять направление продольного движения (с вилянием) в соответствии с параметрами конусности на поверхности катания колеса.
Конусность является своеобразным рулевым самоцентрирующимся механизмом железнодорожного экипажа [3]. От настройки и поведения этого механизма при прохождении кривых различного радиуса зависят безопасность, надежность и экономичность работы железнодорожного транспорта в целом. Конусность - это параметры фигуры вращения, сформированной на колесной паре при взаимодействии с рельсовой колеей. Конусность характеризуется разницей в радиусах дисков вращения колес, образованных нормальными реакциями колес с рельсами на одной колесной паре, и расстоянием между дисками вращения.
Конусность колесной пары определяет динамику поперечных сил, частоту рыскания, формирует направление движения колесной пары. Необходимо согласиться с утверждением, что параметры конус-
ности колесной пары оказывают сопротивление движению на кривых участках пути [4].
Расчеты по вписыванию экипажей (тележки или вагона) в кривые (рис. 6, 7) позволяют: определить установку экипажа в колее и возможность его следования по заданной кривой; найти силы, возникающие в точках контакта колес с рельсами и в узлах конструкции экипажа (в сочленении тележек друг с другом, в шкворнях опорных устройств кузова и др.). Это необходимо для установления допускаемых скоростей движения по кривым из условий прочности и устойчивости экипажа, а также для предотвращения выкатывания гребня колеса на рельс.
Поперечные силы, которые возникают в точках контакта колеса и рельса, в буксах, в опорных устройствах кузова, делятся условно на следующие составные:
1) зависящие только от конструкции экипажа, осевых нагрузок и величины коэффициентов трения скольжения колес по рельсам;
2) зависящие от норм устройства колеи (радиуса кривой, возвышения наружного рельса, ширины колеи) и скорости движения;
Рис. 6. Схема свободного вписывания тележки в кривую Fig. 6. Scheme of free bogie guiding in a curve
3) зависящие от отклонений в содержании рельсовой колеи (в плане) и ходовых частей экипажа (износ бандажей, перекос осей и др.);
4) появляющиеся при действии ветра и продольных сил в составе (силы тяги или торможения).
Обычно при расчетах рассматривают стационарное движение экипажа по кривой с постоянным радиусом кривизны, используя экспериментально определенные коэффициенты боковой динамики. Для грузового движения свободное вписывание двухосной жесткой базы происходит в случае исправного состояния ходовых частей вагонов, нахождения зазоров и люфтов в пределах допусков, правильно выбранного возвышения наружного рельса в кривой, при котором непогашенное ускорение анп< ±0,2-0,3 м/с2. Центр (полюс) поворота жесткой базы в этом случае находится на
4
— Е
S = Е
8. £ g =
g Ъ
3 « s =
1 о
а/
s ц
ш =ï
Ж "
m -,
При движении железнодорожного экипажа по кривой между колесами и рельсами развиваются значительные попереч-
пересечении продольной оси жесткой базы с радиусом, к ней перпендикулярным, за задней осью двухосной базы.
Наружное колесо первой оси тележки набегает на внешний рельс под углом а (адоп = 0,6-1,4°). При этом между гребнем внутреннего колеса задней оси и рельсом имеется зазор 6, величина которого зависит от радиуса кривой, размера жесткой базы I и ширины рельсовой колеи Э. Для двухосной тележки грузового вагона при I = 1,85 м зазор 6 может колебаться от 20 до 56 мм при R = 300 м и от 12 до 48 мм при R=600 м [5, 6].
Из вышесказанного можно сделать вывод, что установка тележки в кривой зависит от сил, приложенных к ней, а последние, в свою очередь, зависят от устройства колеи, радиуса кривой и скорости движения.
20 км/ч 40 км/ч 60 км/ч 80 км/ч 100 км/ч 120 км/ч
ные силы. Существуют два источника возникновения этих сил. К первому источнику относятся силы воздействия поезда, кото-
1
0,5 0
300 350 400 500 600
Радиус кривой, м / Curve radius, m
Рис. 7. Значение полюса поворота, при котором будет происходить вписывание экипажа в кривую в зависимости от радиуса Fig. 7. Value of the center of inflexion at which a bogie will be guiding in a curve depending
on the curve radius
Результаты исследования
рые вызывают усилия в ударно-тяговых приборах. Вторым источником является динамическое взаимодействие экипажа и железнодорожного пути.
Вертикальные и горизонтальные неровности пути выступают основной причиной, вызывающей большие нагрузки при взаимодействии колес и рельсов. Таким образом, железнодорожный путь относительно вертикальной и горизонтальной плоскостей представляет собой волнообразную линию с незакономерно (случайно) изменяющимися длинами и амплитудами волн. В данной работе была математически смоделирована неровность пути на горном участке Восточно-Сибирской железной дороги (рис. 8), а именно на участке станций Большой Луг (5225 км) - Андриа-новская (5280 км).
Поперечные силы являются главными факторами, вызывающими износ колес и рельсов. Кроме того, большие поперечные нагрузки в сочетании с небольшими вертикальными нагрузками могут вызвать накатывание гребня колеса на головку рельса или опрокидывание вагона при движении по кривой [7].
Даже по прямому участку пути, когда движение осуществляется с малой скоростью, возникают проблемы, связанные с
колебаниями виляния колесной пары (так как правое и левое колесо проходят разный путь по поверхности конуса).
Расчетная оценка динамических показателей вагонов поезда проводится путем решения нелинейных дифференциальных уравнений, представляющих динамическую модель его колебаний. Режимы движения вагонов (подпрыгивание, галопирование, боковой относ) по данному участку пути были смоделированы с помощью дифференциальных уравнений движения:
- Дифференциальное уравнение подпрыгивания вагона
4'
4 • R(4,4)
m
= -v"(t),
(1)
где -ц"^) - функция возмущения при подпрыгивании вагона.
- Дифференциальное уравнение галопирования вагона
(2)
I
y
где р"(1) - функция углового перемещения при галопировании вагона.
Рис. 8. Схема горного профиля пути Большой Луг - Андриановская Fig. 8. Schematic of mountain railroad Bolshoi Lug - Andrianovskaya
Эти дифференциальные уравнения решались методом Рунге - Кутты четвертого порядка функцией гкИхеЬ (рис. 9, 10), входящей в пакет программного комплекса математических вычислений МаШСаЬ. Для расчетов приняты параметры цистерны модели 15-150 с тележками модели 18-100 (ЦНИИ-Х3-О), двигающейся по пути со скоростью 38 км/ч.
Рассчитываем максимальные коэффициенты вертикальной динамики вагона (рис. 9, 10) по формуле
Кдв ■ (1+ Ф) + Ф, (3)
Л ст
где !д - величина прогиба (деформации) связи; Ът - статический прогиб рессорного комплекта; ф - коэффициент трения.
Полученные данные сравниваем со значениями, по которым на железных дорогах России оцениваются динамические качества вагона (см. табл.)3.
Полученные по формуле (3) данные:
- для подпрыгивания вагона Кдв=0,521;
- для галопирования вагона Кдв=0,819;
- максимальный коэффициент при подпрыгивании и галопировании одновременно КдВ=0,876.
Рис. 9. Изменения коэффициента вертикальной динамики при подпрыгивании вагона Fig. 9. Changes in the coefficient of vertical dynamics under rail car chattering
Рис. 10. Изменения коэффициента вертикальной динамики при галопировании вагона Fig. 10. Changing of the coefficient of vertical dynamics under rail car pitching
3Вершинский С.В., Данилов В.Н., Хусидов В.Д. Динамика вагонов: учебник для вузов. М.: Транспорт, 1991. 360 с. / Vershinskiy S.V., Danilov V.N., Khusidov V.D. Rail car dynamics. Textbook for higher schools. Moscow, Transport Publ., 1991, 360 p.
Значения коэффициентов вертикальной динамики The values of the coefficient of vertical dynamics
Оценка хода вагона / Assessment of rail car movement Коэффициент динамики / Dynamic factor
вертикальный / vertical горизонтальный / horizontal
Отличный / Excellent 0,20 0,08
Хороший / Good 0,35 0,15
Удовлетворительный / Satisfactory 0,45 0,25
Допустимый / Accepted 0,65 0,35
Непригодный для регулярного движения / Not suitable for regular operation >0,70 >0,40
Исходя из полученных расчетных данных, можно предполагать, что динамика вагона оценивается условно «удовлетворительно».
При частой эксплуатации цистерны с такими параметрами динамики возникают трещины и обрывы стяжных лент котла цистерны. Так как процесс осмотра всей ленты при обслуживании вагона затруднен, было разработано устройство для сканирования контролируемых объектов для стяжных лент цистерны (патент № 2597147) [8], (рис. 11, Ь).
Для подтверждения выдвинутой гипотезы о влиянии геометрического профиля пути на силовое воздействие системы «колесо-рельс» были проведены теоретические исследования (описаны выше) и физические (эксперимент).
При проведении эксперимента в качестве объекта исследования был выбран грузовой поезд № 2385 весом 5504 тс, состоящий из 17-ти полувагонов, 4-х крытых вагонов, 41 -й платформы, 2-х специальных вагонов - всего осей 240; локомотив серии 3ЭС5К № 267; в хвосте состава - локомотив серии 3ЭС5К № 458. Исследование проводилось посредством последовательного измерения нагрузок, возникающих в буксовых узлах при движении по выбранному участку станций Большой Луг - Ан-дриановская. Для этого в хвостовую часть поезда был прицеплен тормозоиспыта-тельный вагон № 092-70075 службы вагонного хозяйства.
В результате эксперимента был получен большой массив эмпирических данных (рис. 12).
b
Рис. 11. Устройство для сканирования контролируемых объектов: a - контрольный объект; b - конструкция устройства Fig. 11. Device for controlled objects scanning: a - control object; b - device design
a
Рис. 12. Фрагмент программы измерения нагрузок, возникающих в процессе движения:
1 - падение давления в тормозной магистрали поезда; 2 - скорость поезда; 3, 4 - нагрузки, возникающие в буксовом узле; 5 - продольная нагрузка на автосцепку Fig. 12. Fragment of the measurement program for stresses arising during movement: 1 - drop in pressure in the train brake line; 2 - train speed; 3, 4 - stresses arising in the axle equipment; 5 - longitudinal load on automatic coupling
Выводы
Полученные экспериментальные результаты согласуются с теоретическими расчетами, расхождения значений не превышают 5%, что указывает на хорошую сходимость и достоверность результатов.
Практическая реализация полученных данных позволила:
- подтвердить экспериментальные данные реального объекта и сравнить их с теоретическими расчетами;
- выполнить комплексный анализ мероприятий, направленных на обеспечение безопасности движения вагонов на сложных участках пути ВСЖД, оформить отчет;
- разработать рекомендации по скоростному движению поездов и ограничению динамических нагрузок, возникающих в узлах подвижного состава при прохождении сложного участка пути.
Библиографический список
1. Плешко А.Б. Перспективы развития железнодорожной инфраструктуры региона // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: материалы Седьмой международной научно-практической конференции (Иркутск, 29 марта 2016 г.). Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2016. Т.1. С. 7-14.
2. Мелентьев Л.П., Порошин В.Л., Фадеев С.И. Содержание и ремонт рельсов. М.: Транспорт, 1977. 160 с.
3. Балановский А.Е. Система колесо-рельс: монография: В 3 ч. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. Ч. 1. 1012 с.
4. Нирконэн В.Т. О влиянии конусности колесных пар на динамику движения подвижного состава // Вагоны и вагонное хозяйство. 2015. № 2 (42). С. 29-31.
5. Альбрехт В.Г., Шиладжян А.А. Работа рельсов в крутых кривых // Повышение надежности работы верхнего строения пути в современных условиях
эксплуатации: сб. науч. тр. М.: Изд-во «Интекст», 2000. С. 42-54.
6. Андриевский С.М. Боковой износ рельсов в кривых // Труды ВНИИЖТ. М.: Трансжелдориздат, 1961. Вып. 207. 128 с.
7. Гарк В.К., Дуккипати Р.В. Динамика подвижного состава: пер. с англ. М.: Транспорт, 1988. 391 с.
8. Пат. № 2597147, Российская Федерация, МПК С01Ы27/82, С01Ы29/265. Устройство для сканирования контролируемых объектов / Г.И. Федюкович, В.Н. Железняк, И.Ю. Ермоленко; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО ИрГУПС. № 2015124276/28; заявл. 22.06.2015; опубл. 10.09.2016, Бюл. № 25.
References
1. Pleshko A.B. Perspektivy razvitiya zheleznodorozhnoi infrastructury regiona [Development prospects of railway infrastructure in the region]. Mate-rialy sed'moi mezhdunarodnoi nauchno-practicheskoi conferencii "Transportnaya infrastructura Sibirskogo regiona" [Materials of the Seventh International Scientific and Practical conference "Transport infrastructure of the Siberian region"]. Irkutsk, IRGUPS Publ., 2016, vol. 1, pp. 7-14. (In Russian)
2. Melent'ev L.P., Poroshin V.L., Fadeev S.I. Soderzhanie i remont rel'sov [Maintenance and repair of rails]. Moscow, Transport Publ., 1977, 160 p. (In Russian)
3. Balanovkiy A.E. Sistema koleso-rel's [Wheel-rail system]. Irkutsk, INRTU Publ., 2011, vol. 1. 1012 p. (In Russian)
4. Nirkonen V.T. O vliyanii konusnosti kolesnyh par na dinamiky dvizheniya podvizhnogo sostava [On taper wheel set influence on rolling stock movement dynamics]. Vagonu i vagonnoe hozyaistvo [Rail cars and roll-
ing stock economy]. 2015, no. 2 (42), pp. 29-31. (In Russian)
5. Al'breht V.G., Shiladzhyan A.A. Rabota rel'sov v krytuh krivuh [Rail operation in rapid curves]. In: Povushenie nadezhnosti rabotu verhnego stroeniya puti v sovremennyh usloviyah ekspluatatcii [Improving operation reliability of the track super structure in modern conditions]. Moscow, Intekst Publ., 2000, pp. 42-54. (In Russian)
6. Andrievskiy S.M. Bokovoi iznos rel'sov v krivyh [Gage rail wear in curves]. Trudy VNIIZhT [Proceedings of VNIIZhT]. Moscow, Transzheldorizdat Publ., 1961, vol. 207, 128 p. (In Russian)
7. Gark V.K., Dukkipati R.V. Dinamika podvizhnogo sostava: per. s angl. [Rolling stock dynamics; translation from English]. Moscow, Transport Publ., 1988, 391 p.
8. Fedyukovich G.I. [et al.]. Ustroistvo dlya skani-rovaniya kontroliruemyh obektov [A device for controlled objects scanning]. Patent RF, no. 2597147, 2016.
Критерии авторства
Ермоленко И.Ю. изучил влияние геометрических параметров профиля пути на динамические характеристики силового воздействия в контакте системы «колесо-рельс», провел обобщение и написал рукопись. Ермоленко И.Ю. несет ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Ermolenko I.Yu. has studied the effect of track profile geometric parameters on dynamic characteristics of force interaction in the contact of a "wheel-rail" system, summarized the material and wrote the manuscript. Ermolenko I.Yu. bears the responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 24.11.2016 г.
Conflict of interests
The author declares that there is no conflict of interest regarding the publication of this article.
The article was received 24 November 2016
