Выбор остаточного проката бандажей при обточке колесных пар электровозов ВЛ11 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2 (2013 6) 221-228

УДК 629.421.1

Выбор остаточного проката бандажей

при обточке колесных пар электровозов ВЛ11

А.П. Буйносов*

Уральский государственный университет путей сообщения Россия 620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66

Received 03.06.2011, received in revised form 10.06.2011, accepted 17.06.2011

В статье изложены результаты экспериментальных исследований выбора остаточного проката бандажей исходя из критерия максимального ресурса колесных пар электровозов. Изменена технология обточки колесных пар, при этом оставлен прокат 0,5 мм. Прогнозируемый ресурс бандажей увеличен на 32 % и позволяет эксплуатировать электровозы ВЛ11 в локомотивном депо Свердловск-сортировочный до ремонта КР-1 и не производить замену бандажей колесных пар на ТР-3.

Ключевые слова: электровоз, колесная пара, бандаж, износ, контролируемые параметры, обточка, остаточный прокат, ресурс.

Введение

На сети железных дорог имеет место повышенный износ колес, бандажей и рельсов. Интенсивность износа колес и рельсов возросла в середине 1970-х гг. и достигла наибольших размеров к началу 1990-х. В этот период на железнодорожном транспорте существенно изменились условия эксплуатации. Завершилась перешивка колеи с 1524 мм на прямых участках на 1520 мм, изменились также нормы уширения колеи в кривых [1]. На главных путях были уложены объемно-закаленные рельсы тяжелых типов повышенной твердости, а твердость колесной стали практически не изменилась. Был завершен переход на подшипники качения вместо подшипников скольжения, требующих постоянной смазки в буксах. Произошло увеличение статической нагрузки на ось, а также увеличение массы и длины поезда. Начали внедряться композиционные тормозные колодки вместо чугунных. В больших масштабах деревянные шпалы заменялись на железобетонные, при этом повысилась жесткость пути. Произошло ухудшение состояния пути и подвижного состава [2].

Если раньше барьерными местами были горные перевальные участки с затяжными подъемами и спусками, то в настоящее время износ рельсов и колесных пар стал распространенным явлением по всей сети, в том числе и на равнинной части [3].

Для решения задачи снижения интенсивности износа гребней колесных пар подвижного состава и рельсов необходимы новые научные исследования и решения. И в первую очередь

© Siberian Federal University. All rights reserved

* Corresponding author E-mail address: byinosov@mail.ru

разработка комплекса мероприятий, позволяющих исходя из конкретных условий эксплуатации определить и устранить причины износа колес и рельсов [4].

Установить долю влияния каждой причины износа нельзя, так как преобладающее значение той или иной в их сумме изменяется во времени их участия. Только постоянное наблюдение, анализ технического состояния локомотивов и пути может установить причины и уменьшить их влияние на износ [5].

Анализ опубликованных работ показывает, что однозначной зависимости между износом и твердостью колес и рельсов не существует, так как при различных условиях трения существенно изменится механизм истирания и, соответственно, интенсивность износа [6].

Тем не менее можно утверждать, что с повышением твердости увеличивается сопротивление материала пластической деформации, снижается образование возможных участков схватывания и, следовательно, повышается износостойкость бандажей колесных пар [7].

Методика иссдедования

При установлении оптимальных свойств сопряженных деталей «бандаж-рельс» решение задач сводится к нахождению методов, которые обеспечивают минимальную остаточную деформацию, не нарушая нормального режима работы бандажа, и исключают возникновение усталостных разрушений [4, 8].

По результатам исследований таким методом является частичная обточка бандажей, при которой профиль поверхности катания бандажа полностью не восстанавливают, а оставляют некоторый (остаточный) прокат, обеспечивающий наименьший износ и, соответственно, максимальный ресурс до смены бандажей [9].

Для определения оптимальной величины остаточного проката в локомотивном депо Свердловск-сортировочный велись наблюдения за 54 электровозами ВЛ11, которые были разделены по сериям на четыре группы: группа 1 - девять электровозов, колесные пары которых обтачивали с полным восстановлением профиля (без остаточного проката); группа 2 - восемь электровозов с восстановлением профиля при остаточном прокате 0,5 мм; группа 3 - пять электровозов с прокатом 1 мм; группа 4 - пять электровозов с прокатом после обточки 2 мм. Все бандажи обтачивали по новому профилю (рис. 2 в ГОСТ 11018-2000).

Зависимости величины проката и изменение толщины бандажей от пробега определяли с помощью методов регрессионного анализа, который позволил выявить основные закономерно сти износа.

Для аппроксимации эмпирических зависимостей аналитическими функциями нужно выбрать соответствующий вид зависимости. В общем плане аналитическую зависимость можно представить некоторой нелинейной функцией у = /(ab a2, ..., ks, /,) одного аргумента /,, в выражение которой входит S паваметров ah a2, ..., aS, l,. С помощью этой функции наобходимо аппрок-сим ировать эмп ирическую регресоию, которая задана в виде N точек (/,-, y,) при ( = у 2,..N, где под y с ледует понимать один из параметров рассматриваомого закона распределения. Параметры функции y находят методом наименьших квадратов, условие которого записывается в виде

n

Z(ai, a2, к, as) = ^ [f (al, a2,..., aS,li ) - )]2 ^ min, (1)

i= 1

или

X [ - fCi )]2 min, (2)

i = 1

где f(L,) - BEäi>i(5]:)i^nna.ii аппр оксимириющуя функция; Yt и Li - получе нная совокупность экспериментальных данных. Здесь:

fm ■ _ приапрокситсЕации зависимости m*(L);

у'= 1 ^ .

I Мр- при ^проксшм^ции зависимости СГ^ (l).

Зависимости Ml(L) и <l,(L) ищем в виде

7 = A + BL, (4)

где Y - значение кортро лируемого паромеира (прокат, толщино бандажей); A - величина остаточного проката, толщина бнндажб на начамо рассмотрения; B -с интенсивность нарастания проката, уменьшеиие толщины бандажей; L - пробег.

Коэффициент линейнош фумкции найдем по методу наименьших квадратов:

B = К*ам , (5)

где ФСи - IcolЭ•cOcOиIГIвsнт кнррабяцае мбейгжж^деу сиучайными величинами Y и L; сту и ст; - среднеква-дратнчеикие отклонения величин Yи L.

É(yW)2; (6)

1 i=i

-1-L

(7)

где L - среднее значение пробега L; Y - среднее значение ве личины Y. Среднее значе ние пробдгч начодим по формуле

L = -¿ Lt. (8)

n i=1

Среднее значение величины>1 Y0 нахздим по формуле

Y = П-ÍY,. (9)

n з1

Свободнзш член уравнения

A = Y - B L . (10)

Значения коэффициентов корреляции между зависимостями от чробего среднего значения проката и толщиныа бандажей ыоаесныык пар электровозов ВЛаЗ н разным остяточныым прокатом представленыи в ткбл. 1.Из нее видно, что значения всех коэффиционаов корреляции близки к

- 623 -

Таблица 1. Коэффициенты уравнений регрессии проката и толщины бандажей колесных пар электровозов ВЛ11 с различным остаточным прокатом

Контролируемый параметр о и ао § р й ич е о сом Объем выборки, N Коэффициенты уравнения регрессии Y = А + BL Коэффициент корреляции, Гуь Остаточная дисперсия, £02, мм2

Е2Й 5 5* ^ н о «¿О» ток и с и и а го А, мм В, мм/104 км

0 МУ(Ь) 946 0,008 0,471 0,945 0,027

°у(Ь) 0,331 0,091 0,913 0,022

0,5 МУ(Ц 640 0,503 0,443 0,993 0,013

°у(Ь) 0,314 0,060 0,897 0,045

£ 1,0 МУ(Ь) 400 1,117 0,480 0,923 0,066

0,120 0,010 0,890 0,112

2,0 МУ(Ц 400 1,818 0,492 0,894 0,097

°у(Ь) 0,311 0,043 0,926 0,003

0 Му(Ь) 946 86,253 -0,677 -0,991 0,295

й аж й « н й ю °у(Ь) 0,468 0,066 0,968 0,018

0,5 МУ(Ц 640 86,591 -0,451 -0,985 0,453

°у(Ь) 0,802 0,065 0,920 0,218

а К К 1,0 Му(Ь) 400 86,882 -0,488 -0,964 0,115

& н о °у(Ь) 0,846 0,070 0,885 0,192

м 2,0 МУ(Ц 400 86,709 -0,490 -0,954 0,984

°у(Ь) 0,698 0,105 0,776 1,150

единице (0,886-0,990), а остаточные дисперсии, характеризующие разброс эмпирических точек около линейной регрессии, на порядок меньше дисперсий соответствующих контролируемых параметров.

Полученные угловые коэффициенты уравнений и свободные члены регрессии контролируемых параметров при разных величинах остаточного проката отличны друг от друга. Важно было понять: отклонение уравнений регрессии друг от друга только случайно или же существенно? Ответ на поставленный вопрос получен при использовании методов теории статистических гипотез. Сравнение проходило в три этапа: проверка гипотезы о равенстве остаточных дисперсий уравнений регрессии контролируемого параметра; проверка гипотезы о равенстве интенсивностей износа бандажей колесных пар; проверка гипотезы о равенстве начальных значений контролируемого параметра.

Только в случае, когда не могла быть отвергнута ни одна из проверяемых гипотез, утверждалось, что нет различий между износом бандажей, имеющих разную величину остаточного проката. Очередной этап проверки начинался в том случае, если не отвергается предшествующая гипотеза [2].

В противном случае сравнение методов анализа информации прекращалось и считалось, что износ бандажей с различной величиной очтаточного проката в статистическом смысле не эквивалентен между собой. Таким образом, только когда не отвергалась ни одна из проверяе-

мых гипотез, утверждалось, что бандажи колесных пар изнашиваются одинаково у электровозов ВЛ11, приписанныхк депо Свердловск-сортировочный [10].

Гипотеза о равенстве остаточных дисперсий Н0(1) проверялась по критерию Фишера (Р-критерию) по (формуле;

, БД

^П-И- , (11)

<Р2 '

где (0м- - болыиая из двух д-сперсий уравнений ро^евсй с различным остаточн ымпрокатом;

- реализауия выборочно; функции с; то = п - 1 и т0 = п2 - 1 степенями свободы (п - число исходных рвомкров).

При — ЗFTXх,0о р£1ззл^>^:у1^ 0се>>п'ссу[ру1у диоиерсий К, и БО, можно считать случайным, т. е. гинотеее принимсе тея. Так ккеио гипо резаН0(1) в отде льных слу ччая!?«: не; о тооргнута, была проверена гипотеза о существеннисти отличис углсеых коэффшщонтсв лонрйных регрессий Н0(2): В = Сйр = В2. Эта сипотеза псзрроЕзесреяякл^с:^ с помощью (-критерия Стъюдента по [11]:

ее, —

п-2 . , (12)

Пп — к • дк (П2 —к -о,2

где

Беп - К^ХН^К. (!3)

- П к и П 2 -( 4

ЗЯдеегс^ь. лВ:) - расчетное зоачение угловсго 1-оэс((с|эи12ие;н(т^ линейно й регресвии; п - объем выборки значезия чapoптeлистплб рoнсpoчрpсeмoro пар>а]^ст]:)>1( Б0 - ос>еаточная дисперсия ичмпиричесчих точек относительно линии регрсссии; Д- а- эмпирическая дисперсия пробега.

Рисчетноз ззн^чение [-критерия ^^^в^нии^а.!)^ с; табличным о. т ири уровне значимости а = 0,00 и т = п + пс - 4 ствпен-м св-бод21 |[О2;í|. Если (и и Ра, р, то 1(чо^оте[з;у НШ отвергали, при 0а| и 0О т - Iч;^:и:н:n:lMJЗLJ^:и[. ^ЮпзЕе^нзеоцтж^^ш-^кэ гипотеэы Н0(2) с^и^^1п;^^ьс::т[В)5о^Т( что ливии регрессии не г^^рЕэа.-п.лк^лсЕ.^ь^:! и лто их наклоиы существенно уасличньу т. интенсивности износа бандажей локомокивов в сравниватмыл вгтрш^^т.а}^ рзллзличэ^тгся.

На слснов^^нэ^ии провертс гспотез о равинстве очтаточных дисперсий; ислoвых коэффициентов сраотенлй ре^е^ни контролир-емых пираметров (прокате и толщины (бандажа) с различными значениями остаточного пролито мкжнн сдулсть воыод: изиос Ксндажлй в статистическом смыеил не эгоивалениен м-жду собой. Числосые хурактериатики зононов распределения контролируемых параметров cпщecтоeнно измеияютоя сэ рселичением пробел оокомотивов, бандажи колесных пар) ловирых имеют рззличные значения очстаточного прокотк.

Следовательно- величина остаточло-о проката cилЕ>нo влияет на интенсивность износа Зиндажей кклесно-к х^г-^рцэ. ]^l^JЗ]B(сн^^2clлЕJ:ны ее инсенсивный изнис пклосао (сазсггшия полностью об-тоиеннога бандажа (етзртствие остаточного чрoкатаЗ можио осъяснить воздействием твердой пoвeркчooти рельсс на неспрочненный 0-ндаж) тик как ^ начальный момент эксплуатации твердости поверсности ресьса нт 35-40 % просыпает твeрдocтЕ> бандажа [13].

При остаточном прокате 0,5 мм интенсивность нарастания проката (коэффициент В) уменьшается и наступает его стабилизация. В этом случае наблюдаются минимальная остаточная деформация, упрочнение поверхности катания бандажа, увеличивается сопротивление материала пластической деформации. При увеличении остаточного проката до 2 мм интенсивность нарастания проката увеличивается до 0,492 мм/10 4 км пробега. Это объясняется влиянием болыаой остаточной деформации, которая ведет к отслаиванию металла с поверхности катания, проскальзыванию колеса по рельсу.

На основании полученных зависимсстей МУ(Н) и ау(Ь) можно спрогнозировать процесс изнашивания и определить ресурс бандажей колесных пар [2].

Для прогиозирования процесси изнашивания и определения ресу рса бандажей колесных пар с различным остаточным прокатом полученные зависимости экстраполировались в область больших значений пкобега; предполагало сь, что характер этих зависимостей не изменяется, т. е. изнашивание бандажей остается в пределах нормальной эксплуатации (рис;. 1 и 2).

У. мм Ь

5

4

3 2 1 0

4 1

} \ > £ 4 Л /

с 5* £ >

> \ V £ Л

\ \ 2

>*• у \

у

10

50

100

150

/. тми. км

Рис. 1. Зависимо сти среднего значения проката бандажей коле сных пар электровозов ВЛ11 от пробега: 1, 2, 3, 4 - зависимости для соответствующих групп электровозов с остаточным прокатом 0, 0,5, 1,0, 2,0 мм соответственно

Рис. 2. Уменьшение толщины бандажей колесных пар электровозов ВЛ11 при обточке без остаточного проката 1 и с ос таточным прокато м 2

Результаты исследования

Результаты расчетов по прогнозированию ресурса бандажей сводим в табл. 2, определяем зависимости от величины остаточного проката ресурса бандажей до смены для электровозов ВЛ11 (рис. 3).

Как видно из табл. 2, прогнозируемый ресурс до смены бандажей при остаточном прокате 0,5 мм максимальный и равен 762 тыс. км, т. е. увеличен на 32 %. Количество обточек существенно возрастает: с пяти (полностью восстановленный профиль) до шести-семи (остаточный прокат 0,5 мм).

Поэтому целесообразно изменить технологию обточки бандажей колесных пар, оставляя при этом прокат 0, 5 мм. Прокат 0,5 мм достигается такой глубиной резания, при которой на поверхности катания остается полоса (площадка) накатанного металла шириной до 20 мм. Через нее передаются как вертикальные, так и горизо нтальные нагрузки.

Площадка отличается тем, что она имеет большие размеры и расположена под углом примерно 35-40° к оси (площадка контакта на гребне расположена под углом 65°). Скольжение при таком контакте значительно уменьшается. Меньше становятся и удельные давления, а следовательно, и износ. При таких условиях обточки технологический износ минимальный и ресурс бандажа до списания определяется только его естественным износом. Изменение технологии обточки бандажей колесных пар электровозов ВЛ11 позволит эксплуатировать электровозы в локомотивном депо Свердловск-сортировочный до ремонта КР-1 и не производить замену бандажей колесных пар на ТР-3.

Таблица 2. Ресурс бандажей электровозов ВЛ11 с различным остаточным прокатом

Величина остаточного проката 9)0 %-ный ресурс бандажей, тыс. км

обточка по предельному прокату смена по минимальной толщине

0 115 578

0,5 124 762

1,0 119 639

2,0 105 516

Ресурс, тыс' КМ

700

600

500

п 0.5 Остаточный

|[р0№, >№

Рис. 3. Зависимость ресурса бандажей до смены от величины остаточного проката для электровозов ВЛ11

Величина остаточного проката 0,5 мм, установленная для электровозов локомотивного депо Свердловск-сортировочный, в других условиях может отличаться, однако аналогичные исследования позволят установить оптимальную величину остаточного проката для локомотивов любых серий, эксплуатируемых на разных железных дорогах.

Список литературы

[1] Горский А.В. // Железнодорожный транспорт. 1991. № 1. С. 34-35.

[2] Буйносов А.П. Основные причины интенсивного износа бандажей колесных пар подвижного состава и методы их устранения. Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2009. 224 с.

[3] Буйносов А.П. // Транспорт Урала. 2011. № 1(28). С. 64-69.

[4] Буйносов А.П. Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Екатеринбург, 2011. 44 с.

[5] Буйносов А.П. // Путь и путевое хозяйство. 1999. № 5. С. 22-25.

[6] Буйносов А.П., Худояров Д.Л. // Транспорт Урала. 2010. № 1 (24). С. 63-68.

[7] Буйносов А.П. // Локомотив. 2004. № 10. С. 25-26.

[8] Буйносов А.П. // Железнодорожный транспорт. 1994. № 10. С. 39-41.

[9] Буйносов А.П. // Локомотив. 1991. № 7. С. 35-36.

[10] Буйносов А.П., Клинский В.С. // Железнодорожный транспорт. 1992. № 5. С. 45-46.

[11] Буйносов А.П. // Транспорт Урала. 2009. № 4 (23). С. 53-54.

[12] Буйносов А.П., Дибров С.А. // Железнодорожный транспорт. 1995. № 6. С. 39.

[13] Медведев Н.Ф., Буйносов А.П. // Локомотив. 1989. № 6. С. 38-40.

Choice of Residual Hire of Bandages when Turning Wheelpairs of Electric Locomotives VL11

Alexander P. Buinosov

Urals State University of Railway Transport (USURT), 66 Kolmogorov Str., Yekaterinburg, 620034 Russia

In article results of experimental researches of a choice residual hire of bandages proceeding from criterion of the maximum resource before change of wheel pairs electric locomotives are stated. The technology of turning of wheel pairs is changed, leaving thus hire of 0,5 mm, thus predicted resource before change of bandages is increased by 32 % and allows to maintain electric locomotives VL11 in locomotive depot Sverdlovsk-sorting before repair KR-1 and not to make replacement of bandages of wheel pairs on TR-3.

Keywords: the Electric locomotive, wheel pair, a bandage, deterioration, controllable parametres, turning, residual hire, a resource.