CC BY
87
Оригинальная статья / Original article УДК 625.143.1
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-8-186-192
ВСЕСЕЗОННАЯ МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ РЕСУРСА ЛОКОМОТИВНОГО КОЛЕСА И РЕЛЬСА НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ИНТЕНСИВНОСТИ БОКОВОГО ИЗНОСА
© А.В. Григорьев1, В.В. Лепов2
Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова, Российская Федерация, 677000, г. Якутск, ул. Октябрьская, 1.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. В данной работе проведены исследования бокового износа головки рельса и износа гребня железнодорожного колеса. Произведен расчет интенсивности износа. Предложена модель оценки накопленной поврежденности с учетом усталости металла и фрикционного взаимодействия. Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 12-01-98515). МЕТОДЫ. Для исследований были выбраны кривые пути с различными радиусами кривизны. Измерения износа гребня железнодорожных колес осуществлялись для локомотивов с различными техническими характеристиками. Контрольные замеры износа гребня проводились один раз в месяц, интенсивность износа рассчитывалась на 10 000 км пробега. Боковой износ рельса проводился тоже один раз в месяц, при этом грузонапряженность составила 0,486 млн тонн брутто. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Интенсивность бокового износа составила в среднем 1,73 мм/млн брутто, а износа гребня колеса - 0,82 мм на 10 тыс. км пробега, что говорит о необходимости проведения мероприятия по сокращению износа в виде лубрикации боковой грани рельса и гребня колеса в летний период времени. Зимой боковой износ рельса снижается за счет естественной смазки, обусловленной наличием снега. Однако в холодный период существует фактор раннего выхода из строя деталей и узлов железнодорожной техники вследствие контактно-усталостного разрушения. Поэтому долговечность системы "колесо - рельс" в календарном году будет зависеть от полной поврежденности, включающей контактно-усталостные повреждения и износ. ВЫВОДЫ. Предложена всесезонная модель накопления повреждений и оценки долговечности системы «колесо - рельс», учитывающая ускоренное контактно-усталостное выкрашивание в зимний период и боковой износ в летний сезон, построенная на основе экспериментальных и теоретических исследований процессов изнашивания колеса и рельса в условиях Центральной Якутии.
Ключевые слова: боковой износ рельса, износ гребня колеса, интенсивность изнашивания, модель накопления повреждений, долговечность.
Формат цитирования: Григорьев А.В., Лепов В.В. Всесезонная модель оценки ресурса локомотивного колеса и рельса на основе анализа интенсивности бокового износа // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 8. С. 186-192. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-8-186-192
YEAR-ROUND ASSESSMENT MODEL OF LOCOMOTIVE WHEEL AND RAIL SERVICE LIFE BASED ON SIDE WEAR RATE ANALYSIS A.V. Grigoriev, V.V. Lepov
Larionov Institute of Physical and Technical Problems of the North, 1, Oktyabrskaya St., Yakutsk, 677000, Russian Federation.
ABSTRACT. PURPOSE. This paper studies the side wear of the rail top and the wheel flange wear. The wear rate is calculated. The model is introduced to assess the accumulated damage taking into account the fatigue of metal and friction interaction. The work has been conducted with the support from the Russian Fund of Basic Researches (RFBR) (Project 12-01-98515). METHODS. Curved tracks with different curvature radii were chosen for the research. The wheel flange wear was measured for the locomotives with different specifications. The check measurements of the wheel flange wear were carried out once a month. The wear rate was calculated per 10 000 km of locomotive-miles. The side wear of the rail was also calculated once a month with the tonnage in the line of 0.486 million gross tons. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The rate of rail side wear averages about 1.73 mm/ million gross tons, whereas the wheel flange wear
1Григорьев Альберт Викторович, кандидат технических наук, научный сотрудник отдела моделирования процессов разрушения, e-mail: [email protected]
Albert V. Grigoriev, Candidate of technical sciences, Researcher of the Department of Damage Processes Modeling, e-mail: [email protected]
2Лепов Валерий Валерьевич, доктор технических наук, заместитель директора по научной работе, заведующий отделом.
Valeriy V. Lepov, Doctor of technical sciences, Deputy Director for Research, Head of the Department.
rate amounted to 0.82 mm per 10 000 km. It is indicative of the need to take measures on wear reduction involving the lubricating of rail side and wheel flange in summer. In winter, the side wear of the rail is reduced by natural lubrication of snow. However, the cold season is characterized by the factor of early failure of critical components and parts of railway equipment due to rolling contact fatigue failure. Therefore, the calendar year durability of railroad wheel - rail system will depend on complete failure including rolling-contact fatigue and wear. CONCLUSIONS. A year-round model of damage accumulation and service life assessment of the "wheel - rail" system has been proposed. It takes into account the accelerated rolling contact fatigue damage in winter and the side wear in summer. It is built on the basis of experimental and theoretical researches of wear processes in rail and wheel under the operation in Central Yakutia. Keywords: rail side wear, wheel flange wear, wear rate, damage accumulation model, service life
For citation: Grigoriev A.V., Lepov V.V. Year-round assessment model of locomotive wheel and rail service life based on side wear rate analysis. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 8, pp. 186-192. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-8-186-192
Введение
В настоящее время, несмотря на предпринимаемые меры и выполняемые исследования, проблема повышенного износа рельсов и гребней колесных пар подвижного состава остается актуальной на всей сети железных дорог России [1, 2]. На железной дороге, эксплуатируемой в экстремальных условиях Центральной Якутии, была поставлена задача добиться снижения бокового износа рельсов и гребней локомотивных колесных пар путем проведения дополнительных экспериментальных и теоретических исследований.
Анализ существующих способов
снижения бокового износа рельсов при взаимодействии с колесом на кривых участках пути [1] показал, что наряду с конструктивными методами, такими как использование самоустанавливающихся тележек, варьирование рельсовой колеи и т.д., эту проблему можно решить внедрением эффективной системы смазывания контактирующих поверхностей рельсов и гребней колес. Также для оценки долговечности и ресурса систем возможно построение модели накопления повреждений, основанной на комбинированном характере контактно-усталостного нагружения и износа.
Материал и методы исследования
Мониторинг бокового износа головки рельсов. Для мониторинга бокового износа головки рельсов выбраны кривые на участке железной дороги Нерюнгри -Томмот (Республика Саха):
- 2 кривых с градацией радиусов менее 400 м;
- 4 кривых радиусом 400 м;
- одна кривая с радиусом 1200 м.
Заданы координаты месторасположения (точка отсчета - станция Нерюнгри грузовая; км - километр, пк - пикет).
- для кривых радиусом R = 400 м:
• Кривая № 1 - 7-й км, 3-й пк-7-й км, 10-й пк;
• Кривая № 2 - 10-й км, 1-й пк-10-й км, 6-й пк;
• Кривая пк-15-й км, 3-й пк;
6 пк;
6 пк;
5 пк.
• Кривая № 4 - 15-й км,-16-й км,
- для кривых радиусом R < 400 м:
• Кривая №5-2 км, 2 пк-2 км,
• Кривая № 6 - 2 км, 8 пк-3 км 2 пк;
- для кривой радиусом R = 1200 м:
• Кривая № 7 - 25 км, 8 пк-26 км,
№ 3 - 14-й км, 4-й
Контрольные замеры в кривых с радиусами R < 400 м и R = 400 м проводились с периодичностью один раз в месяц, в кривых с радиусом R = 1200 м - один раз в квартал.
При измерении ширины головки рельсов в контрольных кривых соблюдался следующий порядок: несмываемой краской на шейке рельсов выбранных кривых были отмечены контрольные риски. Риски нано-
сились в середине рельса и на расстоянии 1 м от стыка. По намеченным рискам ежемесячно измерялась ширина головки рельса с помощью штангенциркуля «Путеец» на расстоянии 13 мм от поверхности катания, причем штангенциркуль устанавливался на головку рельса так, чтобы рабочая поверхность опорного движка касалась поверхности катания головки, а штанга была направлена внутрь колеи.
Таким образом, был измерен абсолютный боковой износ рельса, то есть разница между шириной головки нового рельса и замеренной шириной головки контролируемого рельса.
Далее по измеренным данным был произведен расчет бокового износа. Для вновь выбранных кривых (в случае отсутствия предыдущего замера бокового износа) интенсивность определяли как частное от деления замеренного абсолютного износа рельсов на пропущенный тоннаж. Пропущенный тоннаж принимали с момента смены или укладки новых рельсов до даты замера. В последующем при расчете интенсивности износа значение бокового износа и пропущенного тоннажа принимали как разницу значений между замерами. Результаты измерительного контроля фиксировали.
По результатам измерения определили величину бокового износа на всем протяжении кривой д^ как сумму
измерений на протяжении всей контролируемой кривой, разделенную на число измерений. Расчет средней величины бокового износа производили в зоне стыка и в середине звена отдельно по следующим формулам [2]:
- в зоне стыка
Интенсивность бокового износа в зоне стыка 5ст и в середине звена 5зв мм/млн т. брутто определили по формулам:
- в зоне стыка
у^т у^ст
^ _ ср 2 ср1
AT
- в середине звена
A-A"
_ ср 2 ср1
3 _ AT
(3)
(4)
где ДТ - пропущенный тоннаж (грузопоток) за период между контрольными замерами, млн т. брутто. Величину интенсивности бокового износа в кривой определили как
среднее значение 5 и 5 .
I п ст зв
Мониторинг износа гребней локомотивных колес. Для исследований были выбраны колесные пары четырех локомотивов с различными техническими характеристиками: марки 2ТЭ10М 2235, GE 0884, 3ТЭ10М 2795, ТЭМ-2 5010.
Контрольные замеры износа гребней всех колес локомотивов проводились с интервалом один раз в месяц с использованием специального инструмента - универсального шаблона У1. При этом фактическая толщина гребня колеса, как правило, измеряется на расстоянии 20 мм от его вершины. На это расстояние отрегулирован горизонтальный движок на шаблоне. Передвигая его до упора в гребень, определяют толщину гребня колеса.
Интенсивность износа гребней локомотивных колес 5гр рассчитывалась по следующей формуле:
A сР
Аср +Af + Af +....
£
- в зоне звена
дср+дт+дсср+...
Дзв
(1)
(2)
Aгр - Aгр g _ a2 a1
гр АП
(5)
где Агр - фактическая толщина гребня, АП - пробег локомотива между замерами.
Результаты исследования и обсуждение
Анализ полученных данных, представленный в таблице, показал, что наибольшее значение интенсивности износа наблюдается в кривых с радиусом 400 м. Возможно, это объясняется тем, что в кривых с радиусом менее 400 метров скорость подвижного состава меньше и, соответственно, силы бокового давления малы.
Аналогичным образом была рассчитана интенсивность износа гребней колес, которая при пробеге 10 тысяч км составила:
4
- 0,94-0,99 мм/10 км у локомотива
2235;
4
- 0,5-0,91 мм/10 км у локомотива GE 0884;
4
- 0,66-091 мм/10 км у локомотива 3ТЭ10М 2795.
Анализ результатов исследования показал, что с сентября по октябрь средняя величина бокового износа рельса составила 1,73 мм/млн брутто, а среднее значение интенсивности износа гребней колес локомотива - 0,82 мм на 10 тыс. км пробега.
В дальнейшем значение интенсивности бокового износа рельсов будет использоваться для анализа и прогноза выхода рельсов по боковому износу, планирования работ по смене и при переукладке пути.
Во время исследований отмечено, что в летний период интенсивность износа находится на довольно высоком уровне. Общеизвестно, что чем выше износ, тем меньше дефектов контактно-усталостного происхождения. В условиях низких эксплуатационных температур боковой износ рельса и износ гребней колес локомотивов снижается (возможно, это обусловлено тем, что повышаются такие механические характеристики материала элементов железнодорожной техники, как твердость и предел прочности), но при этом снижается и сопротивление материала ударным нагрузкам [3]. Другой причиной снижения износа является естественная смазка в виде наличия снега и его попадания между колесом и рельсом.
Участки Sites Среднее значение износа на сентябрь, мм Mean value of wear in September, mm Среднее значение износа на октябрь, мм Mean value of wear in October, mm Интенсивность износа, мм Wear rate, mm
Лсрст ЛсрзВ Лсрст Лсрзв 5ст 5зв
Кривая № 1 Curve no. 1 8,39 8,85 9,74 9,54 2,79 1,41
Кривая № 2 Curve no. 2 5,71 5,72 6,21 6,20 1,02 0,98
Кривая № 3 Curve no. 3 5,85 5,86 6,77 6,68 1,88 1,6
Кривая № 4 Curve no. 4 7,28 7,1 7,86 7,7 1,19 1,23
Кривая № 5 Curve no. 5 2,46 2,54 3,2 3,35 1,52 1,66
Кривая № 6 Curve no. 6 3,06 2,94 3,65 3,62 1,21 1,39
Кривая № 7 Curve no. 7 1,18 1,1 1,5 1,33 0,65 0,47
Износ рельсов и интенсивность износа Rail wear and wear rate
Актуальной является задача определения ресурса рельса и колеса в целом с учетом дефектов ударно-контактного происхождения, причиной которых является малоцикловое нагружение, и износа в результате истирания. В работах [4, 5] приведена оценка ресурса бандажа локомотивного колеса в условиях низких температур при накоплении повреждений от много- и малоциклового нагружения. Однако недостатком этого метода является то, что моделирование накопления повреждений в материале и дальнейший расчет ресурса производится только с учетом зимнего периода года. Поэтому дальнейшее моделирование накопления повреждений и расчет ресурса элементов железнодорожной техники целесообразно дополнить слагаемым, учитывающим накопление повреждений от фрикционного взаимодействия:
j M
w Fr _ M j/fr j
(6)
где ^у - фрикционная поврежденность на у-м цикле, М - показатель числа фрикционных контактов.
Трению сопутствуют процессы механического (например, внедрение) и молекулярного (притяжение, схватывание) взаимодействия поверхностей. Степень их проявления зависит от конкретных условий изнашивания. Но для снижения изнашивания деталей необходимо уменьшить взаимное внедрение трущихся поверхностей, чтобы предотвратить их схватывание. Поэтому повышение микротвердости при механической обработке способствует уменьшению внедрения и контактного схватывания и, следовательно, увеличивает износостойкость трущихся поверхностей.
В таком случае полная поврежденность за календарный период, определяемый количествами циклов М, К, М, соответственно ударно-контактных, усталостных и фрикционных воздействий, выражаемая в [б] как
1 N л К
* = Ъ= , (7)
я ,=1 К к=1
где у/Р1 - усталостная поврежденность на /м цикле, уьк - малоцикловая ударно-
контактная поврежденность на к-м цикле, обусловленная снижением ударной вязкости от температуры, перепишется в следующем виде:
Y-YF +Yl + YFr -
j N y K Y M
N %(¥f 1 + KkM £Wfr j.
(8)
Известна зависимость, с помощью которой возможна оценка доли накопленных повреждений, вносимых износом, как отношение циклической плотности энергии ш* к суммарной плотности энергии 0^ [7]:
Fr
da* (t) .
(9)
Здесь плотность энергии 0^ определяется как отношение всей выделившейся при трении энергии за ресурс к объему слоя материала за один цикл трения. Однако, как отмечается в [7], оценить суммарное повреждение с использованием формулы (9) в настоящее время довольно трудно, поскольку неизвестны данные о рассеянии энергии и энергетическом балансе.
Тем не менее, принимая термокинетическую модель взаимодействия двух шероховатых поверхностей [8], а также учитывая усреднение напряжений в пятне контакта колеса и рельса, поврежденность при износе задастся соотношением
^ -
* Fr _
t 1 [1
[ 3
exp
M j
£—exp
£ 3 p
U -yojt) ' kT(t)
и-r(o)
kT.
dt -
(10)
Q
0
где Т - ресурс колеса, и - энергия активации, 3 и у - характеристики материала, к -постоянная Больцмана, о^) - среднее напряжение по пятну контакта в момент времени I, Щ - зависимость температуры по времени,} = от 1 до М - количество месяцев эксплуатации, о - усредненное значение напряжения. Суммирование здесь, согласно подходу, производится по календарным месяцам, средняя температура в которых на участке эксплуатации дороги известна.
Значение напряжений о принимается равным пределу прочности стали, величина которого в пятне контакта, как прави-
ло, вычисляется по усредненным показателям твердости [9]. В данном случае для локомотивного колеса оь = 3,5365 = = 1277,5 МПа с достаточной инженерной точностью. 3 и у вычисляются согласно начальным и граничным условиям накопления повреждений: t = 0, ¥рг = 0; t = Т, % = 1.
Таким образом, оценка долговечности элементов трибосопряжений при одновременном действии механизмов накопления повреждений много- и малоциклового нагружения, а также изнашивания может производиться согласно модели (8), (10).
Выводы
Был исследован боковой износ рельса кривых пути с различными радиусами кривизны. При этом установлено, что интенсивность износа довольно высока: она составила 1,73 мм при грузонапряженности 0,486 млн тонн брутто. Также исследован износ гребня локомотивных колес тепловозов с различными механическими характеристиками и установлено значение интенсивности износа, которое составило в среднем 0,82 мм на 10 000 км пробега. Приведенные данные показывают необходимость внедрения эффективной системы лубрикации зон контакта в летний период с целью сокращения существенного бокового износа и износа гребня локомотивных колес.
В процессе эксплуатации колеса и рельса имеет место сложный процесс
нагружения в условиях реализации различных механизмов накопления повреждений, приводящий к выходу из строя по критериям прочности и износостойкости. В результате экспериментальных исследований и теоретического анализа предложена всесе-зонная модель оценки ресурса на основе временных рядов, учитывающая накопление повреждений от много- и малоциклового нагружения и изнашивания в процессе эксплуатации системы «рельс - колесо» в условиях Центральной Якутии.
Разработанная модель применима также при комплексном решении проблем преждевременного исчерпания ресурса и выхода из строя узлов и деталей железнодорожного транспорта.
Библиографический список
1. Воронин С.В., Коростелёв Е.Н. Анализ существующих способов уменьшения бокового износа рельсов в паре трения «колесо - рельс» в кривых участках пути // lнформацiйно-керуючi системи на залiз-ничному транспорт 2014. № 3. С. 22-27.
2. Коган А.Я. Оценка износа рельсов и бандажей колесных пар при движении подвижного состава в кривых участках пути // Вестник ВНИИЖТ. 1990. № 2. С. 36-40.
3. Григорьев А.В. Механизмы накопления повреждений и разрушения материала обода железнодорожного колеса при эксплуатации в условиях Севера //
Вестник Северо-Восточного федерального университета. 2012. Т. 9. № 1, С. 79-85.
4. Григорьев А.В., Лепов В.В., Тагров В.Н. Оценка ресурса элементов железнодорожной техники, эксплуатирующихся в условиях низких климатических температур // Наука и образование. 2014, № 1 (73). С. 35-39.
5. Григорьев А.В., Лепов В.В. Прогнозирование накопления повреждений и ресурса локомотивных колес в условиях холодного климата // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2015. Т. 17. № 2 (4). С. 757-760.
6. Lepov V.V., Grigoriev A.V. Achikasova Valentina, Lepovaet Kyunna. Some aspects of structural modeling of damage accumulation and fracture processes in metal structures at low temperature // Modelling and Simulation in Engineering. 2016. Vol. 2016. Article ID 7178028. 6 p. D0l:10.1155/2016/7178028
7. Петрова И.М., Москвитин Г.В., Гриб В.В. Влияние износа на накопление усталостных повреждений // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2006. Т. 72. № 11. С. 49-51.
8. Горячева И.Г. Моделирование изнашивания деформируемых тел на разных масштабных уровнях // Физическая мезомеханика. 2007. Т. 10. № 5. С. 31-39.
9. Lepov V.V., Mbelle S.B. Microhardness and Elasticity Study of Fatigue Tested Weld Samples // Engineering and Technology Research (International Conference on Mechanical and Mechatronics Engineering), 2017. P. 77-81. D0I:10.12783/dtetr/icmme2017/9043
References
1. Voronin S.V., Korostelev E.N. Analiz sushchestvuyushchikh sposobov umen'sheniya bokovogo iznosa rel'sov v pare treniya «koleso - rel's» v krivykh uchastkakh puti [The analysis of existing methods of horizontal wear reduction in "wheel - rail" friction pair on curved tracks]. Informatsiino-keruyuchi sistemi na zaliznichnomu transport [Informatively managing systems on a railway transport]. 2014, no. 3, pp. 22-27. (In Russian)
2. Kogan A.Ya. Otsenka iznosa rel'sov i bandazhei kolesnykh par pri dvizhenii podvizhnogo sostava v krivykh uchastkakh puti [Wear assessment of wheel set rails and flanges under rolling stock motion on curved tracks]. Vestnik VNIIZhT [Vestnik of the Railway Research Institute]. 1990, no. 2, pp. 36-40. (In Russian)
3. Grigor'ev A.V. Mekhanizmy nakopleniya povrezhdenii i razrusheniya materiala oboda zheleznodorozhnogo kolesa pri ekspluatatsii v usloviyakh Severa [Mechanisms of damage accumulation and material destruction of rail wheel rim operating in the North]. Vestnik Severo-Vostochnogo Federal'nogo universiteta [Vestnik of North-Eastern Federal University]. 2012, vol. 9, no 1, pp. 79-85. (In Russian)
4. Grigor'ev A.V., Lepov V.V., Tagrov V.N. Otsenka resursa elementov zheleznodorozhnoi tekhniki, eksplu-atiruyushchikhsya v usloviyakh nizkikh klimaticheskikh temperatur [Resource assessment of the elements of railway equipment operated in the conditions of low climatic temperatures]. Nauka i obrazovanie [Science and education]. 2014, no 1 (73), pp. 35-39. (In Russian)
Критерии авторства
Григорьев А.В., Лепов В.В. имеют равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 07.06.2017 г.
5. Grigor'ev A.V., Lepov V.V. Prognozirovanie nakopleniya povrezhdenii i resursa lokomotivnykh koles v usloviyakh kholodnogo klimata [Forecasting the damages accumulation and resource of locomotive wheels in the conditions of cold climate]. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk [Izvestiya of the Samara Russian academy of sciences scientific center]. 2015, vol. 17, no 2 (4), pp. 757-760. (In Russian)
6. Lepov V.V., Grigoriev A.V. Achikasova Valentina, Lepovaet Kyunna. Some aspects of structural modeling of damage accumulation and fracture processes in metal structures at low temperature. Modelling and Simulation in Engineering. 2016, vol. 2016, Article ID 7178028, 6 p, DOI:10.1155/2016/7178028
7. Petrova I.M., Moskvitin G.V., Grib V.V. Vliyanie iznosa na nakoplenie ustalostnykh povrezhdenii [Effect of wearing on accumulation of fatigue damages]. Za-vodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov [Industrial laboratory. Materials diagnostics]. 2006, vol. 72, № 11, pp. 49-51. (In Russian)
8. Goryacheva I.G. Modelirovanie iznashivaniya de-formiruemykh tel na raznykh masshtab-nykh urovnyakh [Simulation of wear of deformed solids at different scale levels]. Fizicheskaya mezomekhanika] Fizicheskaya mezomekhanika [Physical mesomechanics]. 2007, vol. 10, no 5, pp. 31-39. (In Russian)
9. Lepov V.V., Mbelle S.B. Microhardness and Elasticity Study of Fatigue Tested Weld Sam-ples. Engineering and Technology Research (International Conference on Mechanical and Mechatronics Engineering), 2017, pp. 77-81, D0I:10.12783/dtetr/icmme2017/9043
Authorship criteria
Grigoriev A.V., Lepov V.V. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 07 June 2017
