автореферат диссертации по транспорту, 05.22.02, диссертация на тему:Совершенствование конструкции, системы обслуживания и ремонта ходовой части трамвайных вагонов

ВВДЦЕНИЕ

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ИЗНОСА

БАНДАЖЕЙ КОЛЕСНЫХ ПАР ТРАМВАЙНЫХ ВАГОНОВ.

1.1. Классификация дефектов износа бандажей колесных пар

1.2. Методика проведения экспериментов и анализ первичного материала опытных данных

1.2.1. Износ поверхности катания бандажей колесных пар трамвая . II

1.2.2. Износ реборд бавдажей КП трамвая

1.3. Основные характеристики процесса износа бандажей КП и зависимость их от пробега.

1.3.1. Характеристика максимального изменения профиля рабочей поверхности бандажа

1.3.2. Зависимость относительного износа бандажей

КП от пробега.

1.3.3. Конструирование рационального профиля бандажа для трамвайного колеса.

1.4. Выводы.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ

ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА РЕЛЬСЫ ПУТИ.

2.1. Определение вертикальных динамических нагрузок от воздействия вагонного колеса на рельсы пути.

2.1.1. Определение кинетической энергии колебаний

2.1.2. Определение потенциальной энергии колебаний

2.1.3. Определение энергии рассеивания при колебаниях системы.

2.2. Определение горизонтальных динамических нагрузок от воздействия вагонного колеса на рельсы пути

2.2.1. Постановка задачи и основные допущения. 39 '

2.2.2. Выбор системы координат

2.2.3. Построение математической модели

2.2.3.1. Зависимости кинетической и потенциальной энергии, функций рассеивания по уравнениям Лагранжа.

2.3. Выводы.

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЯВЛЕНИЙ ИЗНОСА БАНДАЖЕЙ

КОЛЕСНЫХ ПАР

3.1. Вывод расчетной формулы износа поверхности катания бандажа. Характеристика износа поверхности катания бандажа.

3.1.1. Максимальные динамические вертикальные силы, возникающие в зоне контакта колеса с рельсом.

3.1.2. Определение напряжений в контрольных сечениях рабочей поверхности бандажа

3.1.3. Зависимость износа бандажа у фаски от величины пробега.

3.2. Расчетная формула для определения характеристики износа вершины реборды

3.2.1. Зависимость износа высоты реборды от величины пробега

3.3. Расчетная формула определения характеристики износа конической части реборды

3.3.1. Зависимость износа от величины пробега конической части реборды

3.4. Выводы.

4. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРИИ И ЭКСПЕРИМЕНТА И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ РЕКОМЕНДАЦИЙ.

4.1. Анализ показателей износа

4.2. Оценка профиля по безопасности схода колеса с рельсов пути.

4.3. Оценка экономической эффективности использования нового профиля

4.4. Выводы.

Дальнейшее совершенствование транспортного обслуживания городов и промышленных центров выдвигает на уровень наиболее неотложных задачу повышения скоростей движения при одновременном увеличении объема пассажироперевозок I Практика эксплуатации городского электрического транспорта (ГЭТ) показывает, что в этих условиях, с ростом скоростей и динамичности нагрузок, появляются признаки, указывающие на высокую интенсивность износа деталей и узлов ходовых частей подвижного состава (ПС), в частности, бандажей колесных пар (КП) трамвайных вагонов. Естественно, что от действия значительного уровня динамических нагрузок, вызванных, главным образом, несовершенной формой контакта колес с рельсами, помимо возрастания износовых явлений для бандажей, наблвдаются случаи преждевременного разрушения элементов подрезиненных колес, деталей крепления буксовых узлов, другие повреждения, требующие дополнительного ремонтного вмешательства. Все это снижает технико-экономические показатели эксплуатации ПС трамвая. Надо заметить, что по вопросам взаимодействия КП локомотивов и вагонов магистрального транспорта с рельсами пути проведен значительный объем исследований как отечественными /2,3,4,5,6/, так и зарубежными /7,8/ специалистами. Здесь, в качестве одного из основных мероприятий, позволяющих повысить работоспособность ходовой части, предлагается пересмотреть геометрию существующих профилей бандажей. Такой подход очевидно возможен и для ПС трамвая. Однако применять в полном объеме для ГЭТ материалы и результаты исследований на железнодорожном транспорте не представляется возможным. Действительно, условия эксплуатации трамвайных вагонов характеризуются рядом своих специфических особенностей, принебрегать которыми недопустимо /40,41,46,47/. В некоторых городах страны (Пермь) сделаны первые попытки изменить существующий профиль трамвайного колеса. Но в этих случаях /В9/, геометрические параметры профиля бандажа назначались с целью улучшить условия взаимодействия колеса и рельса для некоторых частных случаев движения вагона (например, в кривых). Поэтому соответствующие результаты не в полной мере отвечали основным требованиям, предъявляемым к паре колесо-рельс и увеличения ресурса трамвайного бандажа. Исследования по конструированию более совершённых профилей проводятся в АКХ группой сотрудников с участием автора /10/. Вместе с тем, относительно малое число работ по данному вопросу ставит определенные трудности для решения практически важных задач эксплуатации ГЭТ. Это обстоятельство указывает на необходимость проведения специальных исследований по изучению процесса износа бандажей трамвайных вагонов, актуальность которых не вызывает сомнений. В настоящей работе ставится задача разработки рационального профиля трамвайного бандажа на основе теоретических и экспериментальных исследований процессов износа бандажей КП с учетом динамики взаимодействия ПС и пути в вертикальной и горизонтальной плоскостях.I. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ИЗНОСА БАНДАЖЕЙ КОЛЕСНЫХ ПАР (КП) ТРАМВАЙНЫХ ВАГОНОВ I.I. Классификация дефектов износа бандажей колесных пар Рассматривая явления износа бандажей КП, мы имеем в виду и основу его появления трение меаду элементами пары "колесо-рельс". Как известно /2,4/ процесс качения колеса по рельсу предполагает периоды псевдоскольжения и проскальзывания колеса относительно рельса. Процесс псевдоскольжения (упругого скольжения или крипа) связанный с поступательным движением экипажа, настолько длителен, что практически равен всему периоду эксплуатации КП, в течение которого происходит износ бандажа. В то же время, проскальзывание колеса (с переходом в боксование), хотя и сопряжено с возникновением существенных дефектов износа бандажа, явление кратковременное и эпизодическое. В связи с изложенным, в рамках поставленной задачи, предлагается дефекты износа бандажей вагонов трамвая

Выводы

I. Показано, что износ бандажей в прикаточный период происходил быстрее, чем на других этапах работы, для колес с коническим и цилиндрическим профилями соответственно в 2 и 3 раза.

2. Указано, что прикаточный период опытных колес оканчивался после пробега 27-30 т.км. При этом колеса приобрели среднесетевую коническую форму с уклоном образующих конуса I/I4. При дальнейшей эксплуатации до предельного износа толщины бандажа интенсивность износа возрастает за счет образования неровностей и восстановления размеров реборды.

3. Показано, что, согласно теоретическим исследованиям, пробег бандажа с новым профилем увеличился на 40 тыс.км.

4. Средний износ бандажей с новым и цилиндрическим профилями по опытным данным за весь период эксплуатации составляет соответственно 12,5 т.щ/мм в зоне выкружки и 4,1 т.щ/мм - у фаски; 9,8 т.км/мм в зоне выкружки и 2,9 т.км/мм - у фаски.

5. По данным теоретических и экспериментальных исследований постреены графические зависимости износов высоты и толщины реборды от пробега.

6. Показано, что, за счет применения нового профиля, пробег бандажа по износу толщины реборды на 25 тыс.км, по износу высоты реборды - также на 25 тыс.км.

7. Произведена оценка профиля на устойчивость против схода колеса с рельс.

Показано, что по всем рассмотренным критериям обеспечивается устойчивость колеса на рельсе при движении как на прямых, так и в кривых участках пути.

8. Приведена оценка экономической эффективности использования нового профиля. Только по Харьковскому ТТУ годовой экономический эффект составляет 32,8 тыс.руб., а от внедрения нового профиля на 10 тыс.единиц ПС - порядка 656 тыс.руб.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изложенные в диссертационной работе материалы по исследованию явлений износа бандажей КП трамвайных вагонов позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Разработан подход к оценке характеристик относительного износа рабочих поверхностей бандажей КП, базирующийся на методике, применяемой в ЛНИИ АКХ.

2. Приведена новая классификация дефектов, возникающих в процессе эксплуатации бандажей КП. Показано влияние отдельных элементов бандажа на работоспособность КП.

3. Получены среднеэксплуатационные значения, характеризующие особенности взаимодействия каздого бандажа в рассматриваемых сечениях с рельсами пути для 3-х типов ПС.

Показано преимущество перед другими типами ПС вагонов с тележками мостовой конструкции.

4. По экспериментальным данным впервые получены графические зависимости интенсивности износа контрольных сечений бандажей с цилиндрическим и коническим профилями в функции пробега, нашедшие применение при построении моделей износов.

5. На основании систематизации и обработки опытных данных разработаны более прогрессивные профили бандажей КП вагонов 1,2, 3 типов и результирующий среднесетевой профиль колеса. Особенностью новых профилей явилось образование конической поверхности катания бандажа, уменьшение угла наклона конической части реборды, увеличение радиуса выкружки.

6. Разработана модель вертикальной и горизонтальной динамики вагона, позволяющая оценить уровень динамического взаимодействия колеса и рельса. Решением системы дифференциальных уравнений на ЭВМ получена результирующая динамическая нагрузка, используемая в. моделях износа бандажей КП.

7. Разработан новый подход к построению моделей износа бандажей КП с использованием данных теории и эксперимента.

Б основу модели положены интегральные зависимости, исходные выражения которых описывают кривые интенсивности износа. Для приведения параметров износа бандажей КП к резонансным явлениям в модели использованы основополагающие факторы, такие как удельные давления и контактные напряжения.

8. На основе моделей износа разработан новый алгоритм построения характеристик износа бандажей с выделением периода прикатки и образования коничности, а также проката до предельного износа ТБф, BP, ТР.

9. С целью оценки работоспособности и получения характеристик износа бандажа впервые в практике трамвайного транспорта аналитическим методом получены графические зависимости износа, позволяющие подтвердить достоинства и преимущества нового профиля.

В частности, по теоретическому обоснованию пробеги бандажей до предельного размера для цилиндрического и конического профилей соответственно составляют 200 и 240 тыс.км. Фактический же пробег (с учетом обточек) составляет 87 и 123 тыс.км.

10. Указано, что прикаточный период опытных колес оканчивался после пробега 27-30 тыс.км, колеса приобрели коническую форму с уклоном конуса I/I4. При этом в прикаточный период износ происходил быстрее, чем в последующий период работы для конического и цилиндрического профилей соответственно в 2 и 3 раза.

11. По данным теоретических и экспериментальных исследований построены графические зависимости износа высоты и толщины реборды от пробега. Показано, что за счет применения нового профиля пробег бандажа по износу высоты и толщины реборды увеличи

- вается на 20-25 тыс.км.

12. Показано, что по основным критериям обеспечивается безопасность от вкатывания колеса с новым профилем на головку рельса как на прямых, так и в кривых участках пути.

13. Получены характеристики износов при опытной эксплуатации цилиндрических и конических профилей. Показано совпадение теоретических и экспериментальных графических зависимостей, что указывает на достаточно высокую точность расчетов. Приведены также линейные зависимости, построенные по средним значениям износов подтверждающие преимущества нового профиля бандажа.

14. Результаты исследований могут быть использованы при разработке новых и совершенствовании ходовых частей существующего ПС, а также при совершенствовании технологии содержания и обслуживания ходовых частей и КП ПС.

15. Рекомендованные автором профили бандажей КП прошли эксплуатационные испытания и внедрены в Харьковском ТТУ и ряде предприятий ГЭТ Донецкой области.

16. Произведена оценка экономической эффективности использования нового профиля, которая составляет от внедрения на одном вагоне - 65,6 руб.; 500 вагонах ХТТУ - 32,8 тыс.руб., а по РСФСР сумма экономии составит более I млн.руб.

17. Результаты исследований использованы при разработке Г0СТ"а 5257-79. Бандажи черные для подвижного состава трамвая и положены в основу Г0СТ"а 25712-83. Бандажи чистые для вагонов трамвая.

1. Куценко С М Руссо А.Э., Малыш В,В. Исследование вопроса о влиянии профиля бандажа на движение локомотивов в кривых участках пути. Сб. "Локомотивостроение", вып. 5, Харьков, 1973.г

2. Куценко С М Слащев В.А. Исследование влияния характеристики пути и профиля бандажа на горизонтальную динамику локомотивов. Сб. "Локомотивостроение", вып. 15, Харьков, 1972.

3. Куценко С М Руссо А.Э., Блейхер А.И., Андренко В.Н. Теоретические исследования характеристик износа при движении в кривой тепловоза ТГ-16 с различными профилями бандажей. Сб. "Локомотивостроение", вып. 6, Харьков, 1974.

4. Бирюков И.В., Бурчак Г.П., Федюнин Ю.П. Исследование причин повышенного износа гребней бандажей КП электропоездов ЭР 22 и способов его уменьшения. Труды Ш И Т вып. 374, I97I.

5. Андриевский С М К вопросу об износе бандажей. "Техника железных дорог", Ш 2, 1952.

6. Экспресс-информация. Техническая эксплуатация ПС и тяга поездов. Бандажи новых профилей для британских железных дорог. Э-88-68/21.

7. Хейман X. Направление железнодорожных экипажей рельсовой колеей. Трансжелдориздат, М., 1957.

8. Селищев В.И. Исследование износа бандажей в трамвайных колес. Труды ЛНИИ АКХ, вып. 92, 1974.

9. Хиценко В.В., Селищев В.И., Новикова И.Е., Показаньева Н.Д. Исследование профилей колес и рельсов для скоростного трамвая. НИИ АКХ. Л-д, 1973.

10. Андриевский С М Боковой износ рельсов на кривых. Труды БНИИТ, вып. 207, I96I.

11. Селищев В.И. Среднесетевые профили бандажей колес подвижного состава в трамвайных предприятиях Донецкой области. Труды ЛНИИ АКХ, вып. 92, 1974.

12. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. "Наука". М., 1964.

13. Голутвина Т.К. Износ бандажей вагонных колес. "Вестник БНИИЖТ", }Ь 4, I960.

14. Курасов Д.А. Повышение долговечности бандажей колесных пар подвижного состава. Транспорт, М.,1981.

15. Гойхман Л.В. Исследование возмущающих факторов рельсового пути и их влияния на вертикальные колебания экипажа. Автореферат на соискание ученой степени канд.техн.наук, М., 1968.

16. Куценко С М Динамика установившегося движения локомотивов в кривых. Высшая школа. Харьков, 1975.

17. БлохинЕ.П., Манашкин Л.А. Динамика поезда. Транспорт,!., 1982.

18. Медель Б.Б. Взашлодействие электровоза и пути. Трансжелдориздат. М., 1956.

19. Голендер Б.А. и др. Распределение скоростей движения траглвайных вагонов. Наука и техника в городском хозяйстве. Киев, 1978.

20. Тибилов Т.А. Меры борьбы с вилянием тепловозов на прямых участках пути. Вестник БНИИЖТ, Ш 3, 1957.

21. Медель В.Б. Боковые колебания электровоза Н22. Труды МИИТ, вып. 157, 1962.

23. Лазарян В.А. Динамика вагонов. Транспорт. М., 1964.

24. Львов А.А., Захаров А.И., Бржезовский A.M., Ромен Ю.С. Теоретические исследования движения вагона высокоскоростного электровоза по пути с геометрическими неровностями. Наукова Думка, Киев, 1973.

25. Савоськин А.Н., Федюнин Ю.П., Сердобинцев Е.Б. Исследование боковых колебаний вагона метрополитена с пневмоподвешиванием при воз26. Транспорт, 1975.

27. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчеТОБ на трение и износ. Машиностроение, М., 1977.

28. Ларин Т.В., Девятин Б.П. О механизме износа железнодорожных колес. Трение и износ в машинах. Вестник ЦНИИ МПС, }Ь II, 1956.

29. Яковлев Б.Ф. Исследование контактной прочности рельсов и колес подвижного состава. Труды ЛИИЖТ, 1973.

30. Куценко С М Экспериментальное исследование некоторых механических явлений, протекающих в точках опоры колес локомотива на рельсах. Сб. "Вопросы конструирования, расчета и испытаний тепловозов", \Ь

32. Вериго М.Ф. Вертикальные силы, действующие на путь при проховдении подвижного состава. Труды ЦНИИ МПС, вып.97, 1955.

33. Вериго М.Ф. Вертикальные давления колес на рельсы от сил инерции неподрессеренных масс экипажа при действии возмущающих сил на колесо. Труды ЦНИИ МПС, вып. 97, 1955.

34. Вериго М.Ф. Материалы Меадународной Ассоциации железнодорожного Конгресса, 4, 1968.

35. Вериго М.Ф. Проблемы взаимодействия пути и подвижного состава в связи с повышением скоростей движения поездов. Материалы совещания на железнодорожном транспорте. М., 1963.

36. Вериго М.Ф. Динамические исследования пути и корректировка правил расчетов железнодорожного пути на прочность. Труды ЦНИИ МПС, вып.

38. Фришман М.А. Как работает путь под поездами. Издательство "Транспорт", М., 1969.

39. Правила технической эксплуатации трамваев. Изд-во ШЖ1 РСФСР, М., 1972.

40. Сосянц В.Г. Городские рельсовые пути и дороги. Изд-во ли41. Ковальский Б.С. Определение максшлальных давлений в контакте колеса и рельса. Труды ХИИТа, вып. 49, Харьков, 1967.

42. Пономарев Д., Бидерман В.Л., Лихарев К.К., Макушин В.М., Малинин Н.Н., Феодосьев Б.И. Основы современных методов расчета на прочность в машиностроении. Маппгиз, М., 1950.

43. Науменко Б.С. Взаимодействие рельсового пути с подвижным составом городского электротранспорта и расчеты пути на прочность. М., 1973.

44. Ефремов И.О., Гущо-Малков Б.П. Теория и расчет механического оборудования подвижного состава городского электрического транспорта. Изд-БО литературы по строительству. М., 1970.

45. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. Трансжелдориздат. М., I96I.

46. Кудрявцев Н.Н., Сасковец Б.М. Автоматическое определение коэффициента запаса устойчивости колеса от схода с рельса с применением АБМ. "Вестник БНИИЖТ", 5, I97I.

47. Андриевский С М Крылов Б.А. Сход колеса с рельса. Труды ЦНИИ МПС, вып. 393,1969.

48. Кудрявцев Н.Н., Кулагин М.И., Хвостик Г.С. Новые исследования в области динамики необрессеренных частей вагонов. Вестник ЦНИИ МПС, \Ь 8, 1967.

49. Бондаревский Д.И., Кобозев Б.М. Эксплуатация и ремонт подвижного состава городского электротранспорта. "Высшая школа", М., 1973.

50. Хиценко Б.Б. Городской транспорт и дороги. Научные труды молодых специалистов. Л., 1963.

51. Хиценко Б.Б. Оптимальная упругость трамвайного пути. Научные труды АКХ, вып. 35, М., 1965.

52. Альбрехт Б.Г., Куликовский Б.С. О модуле упругости под53. Яковлев В.Ф. Динамические силы в контакте колеса и рельса. "Вестник ВНИИЖТ", 5, 1965.

54. Технические условия на формирование и ремонт КП с жесткими и подрезиненными колесами. Утверждены техсоветом ТТУЛ в 1966 г. 52. ГОСТ 5257-

55. Бандажи "черные" для вагонов трамвая.

56. Домбровский К.И. Износ бандажей в зависимости от конструкции экипажа локомотива. Труды ВШШ:Т. Вып. 230, 1962.

57. Козийчук П.Г. Улучшение геометрического профиля колесного бандажа. Труды Московского транспортно-экономического института. Вып. 3. М., 1956.

58. Чернышев М.А., Золотарский А.Ф., Вершинсгай С В Ерш1юв О.П., Шестшсов В.Н. Железнодорожный путь и подвижной состав для высоких скоростей движения. "Транспорт", М., 1964.

59. Хиценко В.В. Скоростной трамвай. Стройиздат, Л.,1976.

60. Голутвина Т.К. Испытания вагонных колес с бандажами различного профиля. "Вестник ВНИИЖТ", f» 2, 1962.

61. Лазарян Б.А., Коротенко М.Л., Демин Ю.В., Осадчий Г.Ф. Об устойчивости движения скоростного вагона лаборатории с реактивной тягой. "Вестник ВНИИЖТ", г 3, 1973.

62. Заключение ЛНИИ АКХ Т-24 I97I г. по предложению Пермского ТТУ "Новый профиль поверхности катания бандажа и гребня КП трамвайного BaroHa"_j_

63. Экспресс-информация. Подвижной состав железных дорог и тяга поездов Ъ 41, I96I.

64. Пахомов М.П. Математическая модель колебания тележки локомотива при движении по неравноупругому вдоль рельсового звена пути. Сборник ОглИИТ, I98I.

65. Соколов С И и др. Исследование динамики и прочности вагонов. Машиностроение, М., 1976.

66. Ершков О.П. Вопросы подготовки железнодорожного пути к высоким скоростям движения. Трансжелдориздат, вып. 176. М., 1953.

67. Мелентьев Л.П. О влиянии вида подвижного состава на боковой износ рельсов. "Вестник ВНИИЖТ", Ik 4, 1957.

68. Грачева Л.О. Взаимодействие вагонов и железнодорожного пути. (Вынужденные колебания вагонов), "Транспорт", М., 1968.

69. Кудрявцев Н.Н., Кривошеев В.Н. Взаимодействие пути и вагонных колес С неравномерным прокатом. Вестник ЦНИИ Ш С 8, 1966.

70. Амелин С В Вопросы взаимодействия пути и подвижного состава. Труды ЛИИЖТ, 1972.

71. Кудрявцев Н.Н., Долматов А.А., Кочнов А.Д. Особенности динамики вагонов при высокой скорости движения. Труды ЦНИИ, вып. 342, М., 1967.

72. Коган А.Я. Предельные силы в железнодорожном пути. Изд-во "Транспорт", М., 1967.

73. Науменко B.C., Гойхман Л.В. Взаимное влияние элементов конструкции экипажа и рельсового пути. Труды АКХ, вып. 79.

74. Мелентьев Л.П. Изменение формы головок наружных рельсов в кривых в результате износа. Вестник ВНИИЖТ, 4, I960.

75. Александров И.Б., Селищев В.И. Анализ вписывания трамвайных вагонов в криволинейные пути. "Наука и техника в городском хозяйстве". Изд-во "Строительство", вып. 29. К., 1976.