автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Разработка профиля колес для скоростных поездов и прогнозирование его эволюции в процессе взаимодействия подвижного состава и пути

На правах рукописи

МАКСИМОВ Игорь Николаевич

РАЗРАБОТКА ПРОФИЛЯ КОЛЕС ДЛЯ СКОРОСТНЫХ ПОЕЗДОВ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЕГО ЭВОЛЮЦИИ В ПРОЦЕССЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

И ПУТИ

п

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и

электрификация

11 ПАР 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2014 г.

005560371

005560371

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»).

Научный руководитель - Кондратов Владлен Михайлович,

доктор технических наук.

Официальные оппоненты - Коссов Валерий Семенович, доктор технических

наук, профессор, Генеральный директор Открытого акционерного общества «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (ОАО «ВНИКТИ»), г. Коломна.

- Орлова Анна Михайловна, доктор технических наук, заместитель Генерального директора по научно-техническому развитию Акционерного

общества «Научно-производственная корпорация «Объединенная вагонная компания»

(АО «НПК ОВК»), г. Москва.

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ).

Защита состоится ]5 апреля 2015 г. в )4 часов на заседании диссертационного совета Д 218.002.01 на базе Открытого акционерного общества «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ») по адресу: 129626, г. Москва, 3-я Мытищинская ул., д. 10, зал Ученого совета. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ОАО «ВНИИЖТ» www.vniizht.ru.

Автореферат разослан 27 февраля 2015 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба направлять в адрес диссертационного совета ОАО «ВНИИЖТ», а также по е-таШ СЬатип4ге.01ца@УпнгЫ.ги: факс: (495) 602-80-20, (495) 687-64-56

Ученый секретарь ..-,

диссертационного совета Ермоленко Дмитрий Владимирович

ОГ.1ЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАГ.ОТ1.1

Актуальность работы. В декабре 2009 года на линии Санкт-Петербург -Москва были введены в эксплуатацию высокоскоростные электропоезда "Сапсан". Менее чем через месяц эксплуатации комиссионное обследование технического состояния электропоездов выявило на поверхностях катания колес колесных пар многочисленные выщербины. В короткие сроки при пробегах порядка 25ч-30 тыс. км образование выщербин на поверхности катания колес • высокоскоростных электропоездов «Сапсан» стало носить массовый характер, что могло привести к остановке их эксплуатации. Обследование поврежденных колесных пар показало, что интенсивная пластическая деформация поверхностного слоя, развитие в нем микротрещин и как следствие многочисленных выщербин вызвано узкой зоной контактирования поверхностей катания колес и рельсов.

Степень разработанности темы исследования. Заметный вклад в развитие теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия подвижного состава и пути внесли отечественные и зарубежные ученые: С.М.Андриевский, И.В.Бирюков, Е.П.Блохин, В.М.Богданов, Ю.П.Бороненко,

A.П.Буйносов, М.Ф.Вериго, С.В.Вертинский, Т.К.Голутвина, И.Г.Горячева, Л.О.Грачева, К.Джонсон, Е.П.Дудкин, С.М.Захаров, О.П.Ершков, И.И.Калкер, Н.А.Ковалев, А.Я.Коган, В.М.Кондрашов, К.П.Королев, А.С.Космодамианский

B.С.Коссов, Н.Н.Кудрявцев, В.А.Лазарян, В.Б.Медель, Н.Н.Меншутин, Г.С.Михапьченко, А.М.Орлова, Н.А.Панькин, Ю.С.Ромен, А.Н.Савоськнн, В.Д.Ушкалов, И.И.Челноков, Х.Хойман и др. Работы многих авторов посвящены вопросам износа рельсов и колес колесных пар, а также разработке профилей колес. Основная направленность отечественных исследований - снижение износа колес грузовых вагонов и локомотивов. Разработке профилей колес для скоростного и высокоскоростного подвижного состава уделялось недостаточное внимание в связи с отсутствием высокоскоростного движения на Российских железных дорогах до декабря 2009 г.

Объек-г исследования: вагоны высокоскоростного электропоезда

«Сапсан».

Предмет исследования: износ поверхности катания колес колесных пар вагонов высокоскоростного электропоезда «Сапсан».

Цель исследования: разработка профиля поверхности катания колес для высокоскоростного электропоезда «Сапсан», обеспечивающего пробег между обточками колес не менее 200 - 250 тыс. км, что соответствует среднему пробегу поездов такого типа за рубежом, без образования выщербин браковочного размера при сохранении динамических качеств вагонов в пределах, установленных нормативными требованиями.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач исследования.

1 Анализ причин массового образования выщербин браковочного размера на поверхности катания колес высокоскоростного электропоезда «Сапсан».

2 Разработка математической пространственной трибодинамической модели движения вагона высокоскоростного электропоезда «Сапсан» в рельсовой колее.

3 Выполнение теоретических исследований по разработке профилей колес для скоростного и высокоскоростного подвижного состава и прогнозированию их эволюции в процессе эксплуатации.

4 Сравнительный расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) колес с профилем поверхности катания штатно применяемом на электропоезде «Сапсан» и вновь разработанном.

5 Экспериментальные исследования по определению соответствия показателей динамики вагонов электропоезда «Сапсан» с вновь разработанными профилями поверхности катания колес требованиям норм безопасности.

6 Эксплуатационные наблюдения по проверке результатов теоретических исследований.

Научная новизна.

I Разработана трибодинамическая модель, включающая в себя математическую пространственную динамическую модель высокоскоростного

электропоезда «Сапсан» и позволяющая с высокой точностью прогнозировать изменение формы профиля колес и интенсивность его износа в зависимости от эксплуатационного пробега, одновременно оценивая изменение динамических качеств экипажа, вызванное износом профиля.

2 Предложен и апробирован теоретико-экспериментальный коэффициент перехода от фактора износа к показателю износа, т.е. от качественной к количественной оценке износа.

3 Разработаны методика, алгоритмы и программа прогнозирования износа профиля колеса и изменения его формы в зависимости от пробега.

4 Выполнена оценка влияния элементов профилей колес и рельсов на динамические характеристики и фактор износа различных типов подвижного' состава.

Практическая значимость.

1 На основании результатов теоретического исследования определено влияния элементов профилей колес и рельсов на динамические характеристики и фактор износа различных типов подвижного состава, разработан профиль колеса ВНИИЖТ-Р.

2 Экспериментальными исследованиями показано, что применение профиля ВНИИЖТ-Р на локомотивах ЧС200 и ЧС6, а также вагонах электропоезда ЭР200, позволило существенно снизить динамические показатели, характеризующие боковую динамику экипажей до значений удовлетворяющих нормативным требованиям.

3 Разработан профиль колес ВНИИЖТ-РМ-70 для высокоскоростного поезда «Сапсан», обеспечивающий пробег между обточками более 350 тыс. км при сохранении показателей динамики в пределах, установленных нормами безопасности.

4 Показано, что предложенная методика прогнозирования износа профиля колеса и его формы позволяет с высокой точностью прогнозировать износ колеса-от пробега.

5 В 2010 г. профиль колеса ВПИИЖТ-РМ-70 внедрен в эксплуатацию на

высокоскоростном электропоезде «Сапсан».

6 На этот профиль колес получены патенты на изобретение: российский RU №2441762 С1, евразийский № 020268, украинский №101767.

Методы исследования. При проведении теоретических исследований использовались основные положения теоретической механики механических систем, динамики дискретных механических систем и теории случайных процессов. Для исследования вынужденных колебаний рельсовых экипажей различной структуры и осности, а также качественной оценки износа профилей колес при случайном возмущении (во временной области) использовался пакет программ, разработанный автором совместно с В.М.Кондрашовым.

При прогнозировании изменения формы профиля колес и его износа в зависимости от пробега использовались теоретико-экспериментальная методика, алгоритмы и программы, разработанные автором.

Эффективность профиля ВНИИЖТ-РМ-70, разработанного для электропоезда «Сапсан», оценивалась в ходовых динамических и эксплуатационных испытаниях электропоездов «Сапсан» на направлениях Москва-С.Петербург и Москва-Н.Новгород.

При теоретических и экспериментальных исследованиях использовались единые показатели динамики и единая методика обработки и представления результатов.

Положения, RMiiociiiHMC на защит)'.

1 Методика прогнозирования износа профиля колеса и изменения его формы в зависимости от пробега.

2 Теоретико-экспериментальный коэффициент перехода от фактора износа поверхности катания колеса к показателю износа колеса.

3 Методика оценки влияния элементов профилей колес на динамические характеристики и фактор износа различных типов подвижного состава.

4 Трибодинамическая модель вагона высокоскоростного электропоезда «Сапсан», позволяющая прогнозировать изменение формы поверхности катания колес и их износ в зависимости от эксплуатационного пробега.

Достоверность результатом теоретических исследовании подтверждается их сходимостью с эксплуатационными данными, полученными при применении разработанного автором профиля поверхности катания колеса на высокоскоростном электропоезде «Сапсан». Разница между эксплуатационными и расчетными данными не превышает 8%.

Апробация работы. Основные этапы и результаты работы докладывались.

на:

- международной конференции ассоциации тяжеловесного движения «Проблемы взаимодействия колеса и рельса». Москва, 17 июня 1999 г;

- на научно-техническом семинаре по рассмотрению материалов диссертационной работы Максимова Игоря Николаевича на тему: «Разработка профиля колес для скоростных поездов и прогнозирование его эволюции в процессе взаимодействия подвижного состава и пути». ОАО «ВНИИЖТ», 22 октября 2014 г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 4 рецензированных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России [1-4], 3 в материалах всероссийских и международных конференций [5-7], в 6 патентах на изобретение профиля колеса [8-13], в 11 отчетах по научно-исследовательским работам.

Структура н объем работы. Диссертационная работа включает 170 страниц основного текста, в том числе 61 рисунок и 15 таблиц. Она состоит из введения, 6 разделов, заключения, списка используемой литературы из 113 наименований и 5 приложений в количестве 56 страниц. Общий объем работы составляет 226 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, определена цель исследования и решаемые при этом задачи, дана краткая история исследований и методов по созданию профилей колес для железных дорог России.

I! первой главе приведены обзор научных работ в области разработки профилей колес колесных пар подвижного состава и прогнозирования их эволюции. Дана постановка теоретических исследований и критерии оценки, использовавшиеся при анализе результатов теоретических и экспериментальных исследований.

В первом разделе приведен обзор научных работ в области разработки профилей колес колесных пар подвижного состава и показаны отличия данной работы от работ, выполняемых при решении аналогичных задач.

Показано, что работы, связанные с прогнозированием эволюции профиля и износа колес и их повреждаемостью, посвящены главным образом грузовым вагонам, как наиболее массовой единице подвижного состава.

Условия эксплуатации скоростного подвижного состава, рассматриваемого в данной работе, особенно на линии С.-Петербург-Москва, в значительной степени отличаются от аналогичных условий для грузовых вагонов. Это существенно меньшая осевая нагрузка, незначительное количество кривых, при этом их радиус составляет 2000 м и более в отличие от грузовых вагонов, эксплуатируемых на участках пути с кривыми 350-650 м при частой их повторяемости.

Вышеперечисленные факты учитывались при разработке профиля поверхности катания колеса для высокоскоростного электропоезда «Сапсан».

Во втором разделе главы представлена обобщенная схема трибодинамической модели вагона электропоезда «Сапсан» (рисунок 1). Обобщенная схема поясняет алгоритм выполнения расчетов по определению износа колес. Исходные данные поступают в блок «Взаимодействие экипажа и пути», который содержит модель колесо-рельс и математическую пространственную динамическую модель вагона электропоезда «Сапсан» (расчетная динамическая модель) в которых выполняется расчет движения вагона по участку пути с заданными профилями колес и рельсов и неровностями пути в плане и профиле. Результаты расчетов поступают в блок «Расчет изнашивания колеса» и блок «Оценка динамических качеств экипажа по заданным критериям».

Рисунок 1 - Обобщенная схема трибодинампческой модели вагона электропоезда" «Сапсан»

В этих блоках выполняются расчеты износа колеса за задаваемый пробег и оценка показателей динамики вагона. Результаты расчета износа профиля колеса используются для определения изменения его геометрии. Полученный таким образом изношенный профиль колеса используется для дальнейших расчетов.

В третьем разделе представлена разработка математической пространственной динамической модели вагона высокоскоростного электропоезда «Сапсан». На рисунке 2 приведена структурная схема вагона электропоезда «Сапсан», математическая пространственная динамическая модель которого описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений 84 порядка вида:

Mqs +Bqs + Cqs = Q{qsqs)+F(q sqs) ,

где, M, В, С - матрицы инерционных, демпфирующих и квазиупругих коэффициентов соответственно; F{qsqs)- вектор возмущающих воздействий; ö('/j<7sвектор обобщенных сил, содержащий нелинейные члены системы дифференциальных уравнений; qs,qs,qs - векторы обобщенных координат и их производных по времени; j - число степеней свободы рассматриваемой механической системы.

В качестве возмущения в расчетах использовались реализации неровностей пути в плане и профиле протяженностью 1 км каждая, полученные для каждой рельсовой нити на перегоне Шлгоз-Дорошиха Октябрьской ж. д.

Одной из важнейших задач при описании динамики любого типа подвижного состава является моделирование движения колесных пар в рельсовой колее.

В четвертом разделе главы приведены основные положения методики определения областей контакта и сил, действующих в этих областях, разработанной Кондрашовым В.М., в привязке к настоящему исследованию, выполненной автором диссертации.

ед, с}о , с, р.

им ^ А М/ X, № с„ С, X,

7* Л Фи г» ^ 'У т ФЗГ с, Фг2 "Ьй с.

Рисунок 2 - Структурная схема вагона электропоезда «Сапсан»

При определении областей контакта задавались профили колеса и рельса, а также учитывались следующие геометрические характеристики колесной пары и рельсовой колеи: 2S - расстояние между кругами катания колес (м); 2S0 -расстояние между внутренними гранями головок рельсов (ширина колеи, м); N -подуклонка рельса; 2Н - расстояние между внутренними гранями колес (м); г, -радиус колеса по кругу катания (м); Ь6- ширина бандажа (м). Кроме того учитывался, оказывающий заметное влияние на положение точки контакта, угол поворота колесной пары относительно оси пути при ее поперечном смещении.

Расчеты по определению областей контакта предусматривали возможность возникновения на профиле колеса двух областей контакта одновременно. В этом случае рассматривались три участка контактирования. Первый и третий участки контактирования расположены соответственно на поверхности катания колеса и гребне и имеют одну область контакта. Па втором участке одновременно существуют две области контакта - на поверхности катания колеса и гребне.

Следует отметить, что деление профиля колеса на поверхность катания и гребень условно.

Для каждого варианта расчета, в котором изменялись профиль колеса или рельса или какая-либо из геометрических характеристик пути или колесной пары, определялись:

- траектория контактирования колеса с рельсом, представляющая собой зависимость приращения радиуса колеса от поперечного перемещения (v) колесной пары относительно рельсовой колеи (rk -rn = f (у), где гк,г„- радиусы колеса (м) при нейтральном положении колесной пары в рельсовой колее и в области контакта соответственно);

- соответствующие этой траектории зависимости углов наклона касательной профиля колеса к горизонтали (yI = F(y),у2 = F(y)).

При взаимодействии колесных пар экипажа с рельсовой колеей в областях контакта на колесные пары со стороны пути действуют нормальные силы и силы, обусловленные псевдоскольжением или скольжением колес.

Нормальные силы (Л^') и горизонтальные проекции этих сил (YJI), т.е.

восстанавливающие силы при наличии на колесе колесной пары одной или двух областей контакта определялись при расчетах из выражений:

tff = (P]i cos rf + if sin rf ) ехр(-Л<\ У j ~ y„j ~ ÍJ' I ~K¡ )) \ N¡' =(PJi cosrJ2 +í¿" smyJ2')(!-exp(-A(\yj—y„j-SJ' I -K, ))); yj' = r/+y/ = Nfsi„yJ;+ NÍ¡ 'in Y 2 > при условии наличия двух областей контакта K¡ { \yj-ynj~41'\ ( К-2-При одной области контакта принималось: если | у j - ynj - 4 >' \<Kj,to ехр(-Х (\ у, - ynJ ~4Ji \-K¡))= 1;

если I у j - ynj - 4 ji |> K2, то exp(-A (\ y- ynj - 4 ji \-K¡))=0, где, Nf, Nj', Y¡', Y2 - нормальные и восстанавливающие силы (II) при одной или двух областях контакта; 41'- неровности рельсовых нитей в плане (м); yf • Y i - углы наклона касательной профиля колеса к горизонту в первой и второй областях контакта; Р'1 ,Y¡¡' - приведенные к области контакта вертикальная и боковая силы (II); yj,y„j- поперечные перемещения колесной пары и рельсо-шпальной решетки (м); К,,К2- точки сопряжения первого-второго и второго-

третьего участков контактирования; j = 1.....4; i = 1,2 - соответственно номер

колесной пары и номер колеса в колесной паре.

Силы, обусловленные псевдоскольжением или скольжением колес относительно рельсов (F¡",F2"), определялись из выражений:

F? = MclNfí A(eff expCeA F? = hc2n'Áa{s^)B expCs V / V

, (!)

где: ЦС],ЦС2- коэффициенты трения в первой и второй областях контакта соответственно; А,В,С - коэффициенты зависимости нормированной силы трения

от относительной скорости скольжения. Относительные скорости скольжения в первой и второй областях контакта определялись аз выражений:

(У] -Уи/ )2

2 Л

СОХ у I

У

'Г-

(У] -Ущ )

Л

2 Л «м У 2

гк ~г2

У±5фг

(2)

где: V - скорость движения экипажа (м/с); у},уп} - скорости поперечного смещения колесной пары и сдвига рельсо-шпальнон решетки относительно продольной оси координат (м/с); Е, , £ •" - соответственно возмущение (м) и его производная, обусловленные неровностями рельсовых нитей в плане; т.,,т.,-угол поворота (рад) и угловая скорость (рад/с) колесной пары относительно вертикальной оси, проходящей через ее центр масс; г/', - радиусы колес в

областях контакта (м); 2Б,у]}'у2л,у, /- см. выше. В выражениях (2) знак минус принимается при /' = 1, плюс при = 2.

В пятом разделе первой главы приведены критерии оценки динамических качеств тягового подвижного состава. В качестве критериев использовались нормируемые показатели динамики: показатели плавности хода (ППХ) в вертикальной и поперечной горизонтальной плоскостях, коэффициенты запаса устойчивости против схода колес с рельсов, рамные силы и коэффициенты вертикальной динамики в первой и второй ступенях рессорного подвешивания.

В шестой и седьмой частях главы дан анализ факторов износа и приведена теоретико-экспериментальная методика прогнозирования износа профиля колес.

В работе при качественной оценке износа использовался фактор износа (Ф характеризующий работу {А]„'), затрачиваемую на преодоление силы трения на

единицу пути (5):

' п - лп ' ^ гп п

При количественной оценке износа в качестве фактора износа (фЦ) принималась суммарная работа на расчетном участке пути:

где V - скорость движения экипажа (м/с); к - шаг интегрирования; Р,/' - силы трения (II) и е{1 - относительные скорости скольжения в расчетах определялись по формулам (1) и (2).

Для количественной оценки износа разработана теоретико-экспериментальная методика, на первом этапе которой ставилась задача получить распределение фактора износа по профилю колеса. С этой целью:

- профиль был разбит на интервалы 0.025 мм по длине, равные интервалам между узловыми точками;

- принималось, что получаемый в контактном пятне на каждом шаге интегрирования фактор износа распределяется как площадь равнобедренного треугольника, основанием которого является поперечная ось эллипса;

- представленный таким образом фактор износа разбивался на полосы равные по величине интервалу разбиения профиля;

- полученные на каждом шаге интегрирования расчетные значения факторов износа в интервалах вносились в интервалы профиля колеса, расположенные в области контакта и затем суммировались в каждом интервале профиля.

Для перехода от распределения фактора износа к распределению износа был получен коэффициент перехода. При его определении были использованы материалы замеров профилей колес скоростных поездов, в частности ЭР200. Из эксплуатации электропоезда ЭР200 известно, что обточки колес производились при пробеге ~ 60^70 тыс. км. При этом износ по кругу катания составлял ~ 1,2-4,4 мм. Учитывая эти данные, средняя величина износа составила 0,2 мм на 10 тыс.

км пробега. Это значение была заложено в алгоритм количественной оценки износа.

Для определения ориентировочного значения коэффициента перехода с вагоном ЭР200, имеющим стандартный профиль колес, были выполнены расчеты с целью определения фактора износа по кругу катания колеса. Расчеты выполнялись на участке пути протяженностью десять километров из них пять километров отличного и пять хорошего состояния при скорости 200 км/ч.

Из полученного распределения фактора износа был выделен интервал, расположенный по кругу катания колеса, величина которого на участке пути протяженностью десять километров составила 2570 Дж. Поскольку фактор износа по кругу катания (Фк) при прокате 0,2 мм должен соответствовать пробегу 10 тыс. километров, полученное значение было домножено на 103. В результате ориентировочный теоретико-экспериментальный коэффициент перехода от качественной к количественной оценке износа составил:

К = 0,2/ (Фк ■ 103) = 7,78-10"8 мм / Дж км .

Данный ориентировочный коэффициент перехода использовался в дальнейших расчетах, вплоть до получения проката величиной 1,2 мм. Как известно, по мере увеличения проката изменяется и интенсивность износа колес. Для уточнения коэффициента перехода был выполнен расчет интенсивности износа, который показал, что в первом варианте расчетов, который был принят за базовый, интенсивность износа составила 0,51 мм на 10 тыс. км пробега. С учетом полученной интенсивности износа коэффициент перехода составил 1,98-Ю'7 мм / Дж км.

Во второй главе приведена методика и результаты теоретических исследований по оценке влияния формы различных элементов профилей колеса и рельса (поверхности катания, выкружки и т.д.), а также ширины колеи и подуклонки рельса, на динамические качества трех типов подвижного состава: восьмиосного локомотива ТЭП80, пассажирского вагона на тележках КВЗ-ЦПМИ п грузового вагона на тележках ЦНШ1-ХЗ при скоростях движения 145-

240 км/ч, 72-125км/ч и 54-90 км/ч соответственно [1]. Па основании этих исследований был разработан профиль ВПИПЖТ-Р.

Даны результаты сравнительного расчета динамических качеств и фактора износа грузового вагона с профилями, приведенными в ГОСТ 10791-2011, ГОСТ 11018-2011, «Инструкции по формированию, ремонту и 4.содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм», профилем ВНИИЖТ-Р и некоторыми другими из которого следует, что вагон с колесными парами, обточенными по профилю ВНИИЖТ-Р имеет по сравнению с вагонами, колесные пары которых обточены по другим профилям, существенно лучшие динамические качества и износные показатели колес.

Рассмотрена возможность использования профиля ВНИИЖТ-Р для скоростного подвижного состава, при условии обеспечения динамических качеств экипажей в пределах установленных нормативных требований. При расчетах использовалась динамическая модель вагона высокоскоростного электропоезда «Сапсан», эксплуатация которого предусматривалась на Октябрьской ж.д.

На начальном этапе исследовались динамические качества вагона, а также показатели износа колес в процессе изменения формы профиля колеса при движении по пути с рельсами Р65 (ГОСТ Р 51685) при ширине колеи и подуклонке рельса 1520 мм и 1/20 соответственно. На рисунке 3 даны зависимости максимальных значений рамных сил (Yp) и показателей плавности хода (IИIX) в горизонтальном поперечном направлении (Wy) от шага расчета.

На приведенном графике можно выделить три характерные зоны: зону приработки, в которой наблюдается резкое снижение уровня динамических показателей; зону с минимальными значениями динамических показателей экипажа; и, наконец, зону, в которой имеет место плавный рост динамических показателей вагона. В целом полученные показатели во всем рассматриваемом диапазоне удовлетворяют нормативным требованиям.

На следующем этапе оценивались динамические качества вагона на пути с рельсами Р65, имеющими боковой износ 4 мм. Помимо этого на данном этапе варьировалась ширина колен 25=1516+1532 мм. Анализ решений показал, что

№ варианта

Рисунок 3 - Максимальные значения рамных сил (Ур) и значения ППХ в горизонтальном поперечном направлении (\¥у) в зависимости от варианта расчета

показатели динамики вагона при данных условиях ухудшаются. Используя подход, примененный на первом этапе расчетов, был выполнен поиск формы профиля, при котором динамические показатели вагона удовлетворяли бы требованиям НБ. Для полученного профиля с прокатом 1,4 мм и профиля без износа была выполнена серия расчетов, основные результаты которых даны на рисунке 4.

13 третьей главе в первом ее разделе представлены результаты ходовых динамических испытаний трех типов подвижного состава по оценке эффективности профилей ВНИИЖТ-Р и ВНИИЖТ-Р с прокатом 1,4 мм. В качестве объектов испытаний были взяты скоростные локомотивы ЧС200, ЧС6 и вагон электропоезда ЭР200, у которых при скорости близкой к конструкционной возникали интенсивные боковые колебания, сопровождающиеся резким ростом рамных сил и горизонтальных поперечных ускорений кузова.

Динамические качества вагона электропоезда ЭР200 исследовались при четырех вариантах профилей: профиль по Рисунку 17 Инструкция ЦТ/329 с прокатом по кругу катания 1,0-1,3 мм; профиль электропоезда «Сапсан»; профиль

б) 3'50 3.00

2,50

2.00

VII

1,50

1,00

0,50

0.00 1

Рисунок 4 - Зависимости рамных сил (а) и ППХ в горизонтальном поперечном направлении (б) от ширины колеи при взаимодействии колес, обточенных по профилю ВНИИЖТ-Р без износа (1) и износом 1,4 мм (2), с рельсами, имеющими износ боковой грани 4 мм

ВНИИЖТ-Р после обточки и с прокатом 1,4 мм. С локомотивом ЧС6-016 испытания были проведены со стандартным профилем, имеющим прокат 0,8 мм и с двумя профилями ВНИИЖТ-Р при наличии продольных демпферов в центральной ступени подвешивания и при их отсутствии. С локомотивом ЧС200-009 все поездки выполнялись с установленными продольными демпферами и двумя профилями ВНИИЖТ-Р.

Обточка колес колесных пар всех опытных объектов под профиль электропоезда «Сапсан» и профили ВНИИЖТ-Р проводилась в моторвагонном

I ^

\ N

4 2

1516 1520 1524 1528 1532 1536

Ширина колеи,мм

депо Санкт-Петербург Московское на колесотокарном станке фирмы I iegensheii.lt MFD типа U2000 имеющем программное обеспечение, позволяющее реализовать обточку колес под указанные профили.

Проверка точности обработки колес под заданный профиль осуществлялась электронным профилометром «MiniProf» фирмы GreenWood Engineering (Дания).

Испытания проводились на Октябрьской ж.д. со следующими скоростями движения:

- локомотива ЧС6 - 90-160 км/ч;

- локомотива ЧС200 и вагонов электропоезда ЭР200 - 100-200 км/ч.

Результаты испытаний показали, что у экипажей с профилем ВНИИЖТ-Р

после обточки и при износе стабилизируется движение и обеспечиваются динамические качества в пределах установленных ГШ во всем диапазоне скоростей в отличии от других профилей.

Далее в главе приведены результаты сравнительных динамических испытаний вагонов электропоезда «Сапсан» с колесными парами, обточенными по профилям ВНИИЖТ-Р и Сапсан Р8. Опытные объекты были оборудованы измерительными приборами для регистрации динамических процессов, позволяющих оценить динамические качества вагонов на соответствие нормативным требованиям. Ходовые испытания проводились со скоростями до 250 км/ч в порожнем режиме (без пассажиров) на линии С.Петербург - Москва.

Из приведенных результатов испытаний следует, что все динамические показатели вагонов с профилем ВНИИЖТ-Р существенно ниже нормативных требований за исключением ППХ в горизонтальном поперечном направлении, который при скорости близкой к максимальной был равен 3,29 при норме 3,25. В тоже время, как показали испытания, профиль ВНИИЖТ-Р имеет в 1,5+ 2,0 раза большую ширину поверхности катания (порядка 65 мм) по сравнению со штатным профилем электропоезда «Сапсан», что снижает возможность возникновения выщербин на поверхности катания колес.

В связи с неудовлетворительными результатами сравнительных динамических испытаний была выполнена корректировка профиля. В качестве

I возможного варианта был взят профиль 23 шага расчета, выполненного ранее, при

котором показатели динамики вагона были близки к минимальным значениям, полученным в этой серии расчетов. С этим вариантом профиля были выполнены контрольные расчеты по оценке динамических качеств вагона электропоезда «Сапсан». Положительные результаты контрольных расчетов позволили рекомендовать полученный профиль, получивший название ВНИИЖТ-РМ-70, для экспериментальной проверки.

С вагонами №9 (011Т9) и №10 (БИВ 10) электропоезда ЭВС2-01 «Сапсан», I колеса колесных пар которых были обточены по профилю ВНИИЖТ-РМ-70,

были выполнены опытные поездки сразу после обточки и после пробега 6750 км со скоростями до 250 км/ч на участке Мстинский мост-Угловка линии С.Петербург - Москва. Обработка материалов испытаний показала, что вагон с профилем колес ВНИИЖТ-РМ-70 удовлетворяет нормативным требованиям по всем показателям динамики и имеет ширину полосы контактирования не менее 65 мм.

Принимая во внимание результаты теоретических и экспериментальных исследований, профиль ВНИИЖТ-РМ-70 был рекомендован для эксплуатации на высокоскоростном электропоезде «Сапсан».

И четвертой главе даны результаты эксплуатационных испытаний вагонов электропоездов «Сапсан» с колесными парами, обточенными на профиль ВНИИЖТ-РМ-70. По профилю ВНИИЖТ-РМ-70 были обточены колесные пары пяти электропоездов полностью и у двух электропоездов по пять вагонов.

При эксплуатационных испытаниях с периодичностью -20 тыс. км на всех электропоездах «Сапсан» производились замеры профилей колес. За период с февраля 2010 г. до повторной обточки колесных пар, проводившейся по решению руководства ОАО «РЖД» в рамках подготовки электропоездов «Сапсан» к зимним условиям эксплуатации в период с декабря 2010 г. до февраля 2011 г., был получены:

- максимальный прокат колес по кругу катания не более 3,0 мм;

- наименьший параметр крутизны гребня 9 мм;

-средняя интенсивность проката колес 0,068 мм/10 тыс. км, диапазон изменения 0,058+0,084 мм/10 тыс. км;

- средняя интенсивность износа гребня минус 0,021мм/10 тыс. км, диапазон изменения 0,004 + минус 0,03 мм/10 тыс. км;

- средняя интенсивность изменения крутизны гребня qR минус 0,025 мм/10 тыс. км, диапазон изменения минус 0,021+ минус 0,032 мм/10 тыс. км.

Отрицательное значение среднего значения интенсивности износа гребня и изменения крутизны говорит об увеличении толщины гребня с ростом проката в результате практического отсутствия его касания с боковой гранью рельса.

За период между обточками выщербин браковочного размера на поверхностях катания колес обнаружено не было. Средний пробег вагонов всех электропоездов составил 298, 6 тыс. км, максимальный пробег вагонов - 359 тыс. км.

В процессе эксплуатационных испытаний электропоездов были выполнены контрольные замеры ППХ в вертикальном и горизонтальном поперечном направлениях в зоне пятниковых узлов при пробегах 100 и 300 тыс. км на линиях С.-Петербург- Москва и Москва - Н.Новгород. Получено, что с ростом пробега наблюдается тенденция к снижению, как вертикальных, так и поперечных горизонтальных ППХ.

В заключительной части главы дано сравнение профилей колес и их износа при различных пробегах, полученных в расчетах и эксплуатации.

Сравнивались усредненные профили колес и их прокат, замеренные в эксплуатации при пробегах 160, 200, 250 и 400 тыс. км с полученными прн расчете прогнозирования износа колес колесных пар вагонов электропоезда «Сапсан» и профилем колес ВНИИЖТ-РМ-70. Расчеты выполнялись при скорости 200 км/ч на участке пути протяженностью один километр. При определении износа профиля на каждом шаге расчета принималось, что фактор износа, полученный на участке в один километр, не меняется на пробеге до пяти тыс. км. Коэффициент перехода принимался равным 1,98-10'7 мм/Дж км (см.

главу 1).,

Для уточнения теоретико-экспериментального коэффициента перехода от качественной оценки износа к количественной, были взяты данные, полученные при пробеге 200 тыс.км.

Уточнение выполнялось на базе сравнения величины расчетного износа за расчетный пробег с эксплуатационным. В результате уточнения коэффициент перехода от фактора износа к показателю износа составил 1,85Т0"7 мм/Дж км.

Результаты расчета, выполненные с откорректированным коэффициентом перехода, и результаты эксплуатационных испытаний представлены на рисунке 5. Как видно из представленных материалов форма профилей колес, полученных расчетом и усредненных профилей колес, замеренных в процессе эксплуатации электропоездов «Сапсан», практически совпадает для всех пробегов. Практически совпадают и прокаты колес по кругу катания. Разница в расчетных износах и износах, полученных в эксплуатации, не превышает двух процентов. Разница в эксплуатационных и расчетных пробегах не превышает восьми процентов.

П пятой главе дан сравнительный анализ напряженного состояния колес с профилями Сапсан Р8 и ВНИИЖТ-РМ-70.

В первом разделе главы представлен сравнительный анализ напряженного состояния неизношенных колес с профилями Сапсан Г8 и ВТГИИЖТ-РМ-70. Расчет выполнен в среде программы конечно-элементного анализа ЛКБУЭ.

Сравнительный анализ показал, что максимальные эквивалентные напряжения в колесах располагаются на глубине 1-3 мм от контактирующей поверхности. Эквивалентные напряжения у колес с профилем Сапсан Р8 за исключением некоторых точек в 1,5-2 раза превышает аналогичные напряжения у колес с профилем ВНИПЖТ-РМ-70. При перемещении колеса относительно рельса в диапазоне минус 9,0 плюс 6,0 мм напряжения изменяются в диапазоне 600-950 МПа для профиля Сапсан Р8 и в диапазоне 480-800 МПа для профиля ВНИИЖТ-РМ-70. При перемещении колеса в диапазоне 7,0-9,0 мм напряжения изменяются в диапазонах 700-1570 МПа и 550-810 соответственно.

Анализ контактных напряжений дает аналогичную картину, но при этом значения напряжений значительно выше. Для профиля колес с профилем

Пробег 250 тыс. км, прокат 1,77 мм Исходный профита»

Вариант 49, прокат 1,77 мм, расчетный пробег 268 тыс.

Рисунок 5 - Профили колеса с пробегом 160 тыс. км (а), 200 тыс. км (б), 250 тыс. км (в) и 400 тыс. км (г), замеренные в эксплуатации (-) и полученные в расчетах (-)

Сапсан Р8 в диапазоне перемещений минус 9,0 плюс 6,0 мм напряжения составляют 950-1550 МПа, а в диапазоне перемещений 7,0-9,0 мм - 1700-2510 • МПа. Для колес с профилем ВНИИЖТ-РМ-70 эти значения составляют 750-1300

МПа и 100-1250 МПа соответственно. : Результаты расчета ширины контактирующей зоны с учетом размеров

| пятен контакта и расстояния между ними при крайних положениях колес показал,

что контактирующая зона поверхности катания колеса (полоса наката) с профилем ВНИИЖТ-РМ-70 составляет 53,5 мм. Для колес с профилем Сапсан Р8 эта величина составляет 36,4 мм.

Во втором разделе главы представлены результаты анализа напряженного состояния колес с профилем ВНИИЖТ-РМ-70 с пробегом 200 тыс. км.

Анализ напряженного состояния колес показал, что ширина зоны контактирования на поверхности колеса составляет 67,1 мм. В зоне, расположенной вблизи круга катания, где на колесах с профилем Сапсан Р8 зафиксированы выщербины, размеры поперечных осей пятен контакта доходят до 27,5 мм, а площади пятен составляют 135-279 мм2, что в -2,5 раза больше, чем у колес с профилем Сапсан Р8.

В шестой главе рассмотрены вопросы экономической эффективности от внедрения профилей колес ВНИИЖТ-РМ-70 на высокоскоростных электропоездах «Сапсан». Годовой экономический эффект от внедрения профиля колес ВНИИЖТ-РМ-70 составит 294,42 млн. руб., что подтверждено актом об экономическом эффекте от внедрения профиля поверхности катания колеса ВНИИЖТ-РМ-70.

Заключение

1 Разработана трибодинамическая модель вагона высокоскоростного электропоезда «Сапсан», позволяющая, задавая различные профили колес колесных пар и рельсов, а также варьируя основными характеристиками вагона и рельсовой колеи, проводить оценку их динамических качеств в соответствии с требованиями Норм безопасности и исследовать износ колес колесных пар.

2 Разработана теоретико-экспериментальная методика определения износа

профилей колес колесных пар железнодорожных экипажей, позволяющая в рамках трибодинамической модели вагона высокоскоростного электропоезда «Сапсан», а также модели другого скоростного или высокоскоростного экипажей прогнозировать эволюцию формы профиля колеса и интенсивность его износа в зависимости от пробега при одновременном контроле динамических показателей экипажа.

3 Выполнены анализ и оценка влияния различных элементов профиля колеса и рельса (поверхностей катания, выкружек и т.д.), а также ширины колеи и подуклонки рельса на динамические характеристики и фактор износа трех типов подвижного состава (грузового вагона на тележках ЦНИИ-ХЗ, пассажирского вагона на тележках КВЗ-ЦНИИ и тепловоза ТЭП80). Па основании выполненного анализа разработан профиль колеса ВНИИЖТ-Р для подвижного состава РЖД.

4 Разработано семейство профилей колес на базе профиля ВЛППЖТ-Р с применением трибодинамической модели вагона высокоскоростного электропоезда «Сапсан» и теоретико-экспериментальной методики определения износа. Профили данного семейства могут быть использованы при разработке профилей колес для скоростного и высокоскоростного подвижного состава.

5 Сравнительная экспериментальная проверка эффективности профилей колес ВНИИЖТ-Р и ВНИИЖТ-Р с прокатом 1,4 мм и профиля колес по ГОСТ 11018 на скоростных локомотивах ЧС6 и ЧС200, а также двух профилей колес ВНИИЖТ-Р, профиля Сапсан Р8 и профиля по Инструкция ЦТ/329 (рисунок 17) на вагоне электропоезда ЭР200 подтвердила результаты теоретических исследований и показала существенное улучшение динамических показателей всех экипажей с колесными парами, обточенными по профилю ВНИИЖТ-Р. На основании результатов экспериментальной проверки профиль колес ВПИПЖТ-Р рекомендован к внедрению на скоростных локомотивах и вагонах электропоезда ЭР200.

6 Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований по доработке профиля колес ВНИИЖТ-Р для вагонов высокоскоростного электропоезда «Сапсан». В результате выполненных исследований разработан

профиль колес DI1ИИЖТ-РМ-70, который позволил при сохранении показателей динамики вагона на уровне его эксплуатации с профилем Сапсан Р8, увеличить на поверхности катания колеса ширину зоны его взаимодействия с рельсом и снизить контактные напряжения. На этот профиль колес получены патенты на изобретение: российский RU №2441762 С1, евразийский №020268, украинский №101767.

7 В ходе проведения эксплуатационных испытаний вагонов электропоездов «Сапсан» с профилем колес ВНИИЖТ-РМ-70 выполнены контрольные измерения показателей плавности хода вагонов при пробегах 100 и 300 тыс. км, которые показали, что с ростом пробега наблюдается тенденция к снижению показателей плавности хода, как в вертикальном, так и горизонтальном поперечном направлениях.

8 Эксплуатационные испытания и экспериментальная проверка вагонов электропоездов «Сапсан» с профилем колес ВНИИЖТ-РМ-70 подтвердили результаты теоретических исследований и показали, что:

- динамические качества вагонов по своим показателям не уступают вагонам с профилем Сапсан Р8;

- колесные пары вагонов за период между обточками не имели на поверхности катания колес выщербин браковочного размера;

- средний пробег вагонов всех поездов между обточками составил -300 тыс.

км;

- средняя интенсивность проката колес соответствует -0,07 мм/10 тыс. км.

Последние два показателя близки к аналогичным показателям колесных

пар электропоездов 1СЕЗ железных дорог Германии, пробег которых между обточками составляет 200+250 тыс. км и интенсивность проката колес на уровне 0,1 мм/10 тыс. км.

9 Сравнительная оценка формы профилей колес и величины их износа, полученных расчетным путем и в эксплуатационных испытаниях, показала, что разработанная теоретико-экспериментальная методика по оценке износа колес позволяет с достаточной точностью прогнозировать изменение формы профиля

колеса и его износ с ростом пробега.

10 В 2010 г. профиль колес BI [ИИЖТ-РМ-70 внедрен в эксплуатацию на высокоскоростных электропоездах «Сапсан». Годовой экономический эффект от внедрения профиля колес составил 294,42 млн. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК Мипобриаукн РФ:

1 Максимов, И.Н. Прогнозирование изменения профиля колеса в зависимости от пробега расчетными методами / И.Н.Максимов // Вестник ВНИИЖТ. 2014. №5. -С. 30-37.

2 Максимов, И.Н. Разработка профиля поверхности катания колес колесных пар для высокоскоростного электропоезда «Сапсан» / И.П.Максимов// Железнодорожный транспорт. 2014. Xsl 1. - С. 50-52.

3 Максимов, И.Н. Влияние подуклонки рельсов на работу верхнего строения пути / В.О.Певзнер, В.В.Кочергин, И.Н.Максимов, Е.А.Полунина// Железнодорожный транспорт. 2010. №7. - С.41-45.

4 Кондратов, В.М., Максимов, И.Н. Моделирование динамики локомотива с учетом трибологических характеристик пары колесо-рельс / В.М.Кондрашов, И.Н. Максимов // Трение и износ. - Минск. Наука и техника, 1995. том 16, №1. - С. 2934.

Публикации в других изданиях:

5 Максимов, И.Н. Исследования по определению влияния профилей колеса и рельса и некоторых характеристик рельсовой колеи на горизонтальную динамику экипажа и нзносные характеристики колеса и рельса / И.Н. Максимов // Тезисы докладов IX Международной конференции Проблемы механики железнодорожного транспорта. - Днепропетровск. 1996. С. 100-101.

6 Максимов, И.Н. и др. Оценка эффективности разработанных во ВНИИЖТе алгоритмов и программ для исследования динамики подвижного состава / В.М. Кондратов, С.А. Кутепов, И.П. Максимов и др.// Тезисы докладов IX Международной конференции Проблемы механики железнодорожного

транспорта. - Днепропетровск. 1996. - С. 90.

7 V.Kondrashov, I.Maksimov, V.Galperin. Development of the Wheel Profiles of Cars and Locomotives for the Existing Railways for Reduction of Wear of Wheel Flanges and Lateral Surfaces of Rail. International Heavy Haul Association STS-Conference "Wheel/Rail Interface". 1999. vol.1.-P.95-102.

Патенты:

8 Профиль железнодорожного колеса [Текст], пат. 2454331 Рос. Федерация: МПК В60В 17/00, B61F 13/00, В21Н 1/04 / Максимов И.Н., Кочергин В.В. (RU), Г. Грабнер (AT); заявитель и патентовладелец ОАО «РЖД» (RU), Сименс A (DE) — №2011108018/11; заявл. 02.03.2011; опубл. 27.06.2012, Бюл. №18-20 е.: нл.

9 Профиль поверхности железнодорожного колеса [Текст], пат. 2441762 Рос. Федерация: МПК В60В 17/00, B61F 13/00, B21I1 1/04 / Максимов И.Н., Кочергин В.В. (RU), Г. Грабнер (AT); заявитель и патентовладелец ОАО «РЖД» (RU), Сименс A (DE) - №2011108019/11; заявл. 02.03.2011; опубл. 10.02.2012, Бюл. №4

- 14 е.: ил.

10 Профиль железнодорожного колеса [Текст]: пат. 020267 Евразийский патент: Int. CI. В60В 17/00, B61F 13/00, В21Н 1/04 / Максимов И.Н., Кочергин В.В. (RU), Г. Грабнер (AT); заявитель и патентовладелец ОАО «РЖД» (RU), Сименс A (DE)

- №201200214; заявл. 2012.02.29; опубл. 2014.09.30, Бюл. №9-13 е.: ил.

11 Профиль поверхности железнодорожного колеса [Текст]: пат. 020268 Евразийский патент: Int. CI. В60В 17/00, B61F 13/00, B21II 1/04 / Максимов И.Н., Кочергин В.В. (RU), Г. Грабнер (AT); заявитель и патентовладелец ОАО «РЖД» (RU), Сименс АГ (DE) - №201200215; заявл. 2012.02.29; опубл. 2014.09.30, Бюл. №9 - 13 е.: нл.

12 Профшь зашзничного колеса, пат. 101768 УкраТна: МПК В60В 21/00 В60В 17/00 / Кочерпн Вжтор Васшьешч; Максимов 1горь Школаегмч (RU); Грабнер Геральд (AT); власники ОАО "РЖД" (RU), CIMEIIC АГ (DE) - а 2012 02496; заяв. 02.03.2012; опубл. 25.04.2013, бюл. №8 - 16 с. : ил

ППрофшь затзничного колеса, пат. 101767 УкраТна: МПК В60В 21/00 В60В / Кочергш BiKTop Васшьев1ч; Макс1мов 1горь 1Пколаев1ч (RU); Грабнер Геральд (AT); власники ОАО "РЖД" (RU), CIMEIIC АГ (DE) - а 2012 02495; заяв. 02.03.2012; опубл. 25.0 1.2013, бюл. №8 -16 с.: ил

Подписано к печати 12.02.2015 г.

Формат бумаги 60x90 1/16 Объем 1,9 п.л.

Тип. ОАО «ВШП1ЖТ» Зак. № 23 Тираж 100 экз.