автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Исследование движения локомотивных тележек в плоскости рельсовой колеи при электрическом торможении в криволинейных участках пути

/

I// • С V ■ ОС-С "У

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи УДК 629.4.027.43

СТЕЦЮК Андрей Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЛОКОМОТИВНЫХ ТЕЛЕЖЕК В ПЛОСКОСТИ РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ ПРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ТОРМОЖЕНИИ В КРИВОЛИНЕЙНЫХ УЧАСТКАХ ПУТИ

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

канд. техн. наук, профессор Виктор Григорьевич Григоренко

Хабаровск, 1999 год

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОБЛЕМЫ КИНЕМАТИЧЕСКОГО И ДИНАМИЧЕСКОГО ВПИСЫВАНИЯ ЛОКОМОТИВОВ В КРИВЫЕ 12

1.1. Кинематика вписывания локомотивных тележек в кривые малого радиуса 12

1.2. Определение касательных сил в точке контакта поверхности катания локомотивного колеса с головкой рельса 14

1.3. Динамическое вписывание локомотивных тележек в кривые малого радиуса 18

1.4. Боковой износ рельсов и гребней колес подвижного состава в кривых 19

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ВПИСЫВАНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ВЛ80 В КРИВЫЕ МАЛОГО РАДИУСА ПРИ ДВИЖЕНИИ В РЕЖИМЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ 23

2.1 Постановка задачи 23

2.2. Критерий бокового износа гребней колес электровозов 24

2.3. Определение сил, передающихся от кузова электровоза на тележку через систему люлечного подвешивания 26

2.4. Определение сил, действующих на кузов секции электровоза 33

2.5. Определение сил, действующих на тележки секции электровоза 40

2.6. Определение сил в зоне контакта «колесо-рельс» 43

2.7. Определение сил нормального давления гребня набегающего колеса на рельс 50

2.8. Определение закона изменения угла поворота тележки в рельсовой колее 59

2.9. Кинематика набегающей колесной пары тележки 65

3. ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ДИНАМИЧЕСКИЙ КРИТЕРИЙ БОКОВОГО ИЗНОСА ГРЕБНЕЙ КОЛЕСНЫХ ПАР ЭЛЕКТРОВОЗОВ ВЛ 80 84

3.1. Постановка задачи 84

3.2. Влияние различных факторов на силу нормального давления гребня колеса на рельс в обычных условиях эксплуатации 87

3.3. Влияние радиуса криволинейного участка на силу нормального давления колеса на рельс 94

3.4. Влияние различных факторов на скорость проскальзывания по рельсу гребня набегающего колеса 97

3.5. Сравнительная оценка влияния различных составляющих сил на величину нормального давления гребня колеса на рельс 100

3.6. Установка тележек в хордовое положение 110

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИКИ ВПИСЫВАНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ВЛ80 В КРИВЫЕ МАЛОГО РАДИУСА 115

4.1. Постановка задачи 115

4.2. Описание новой измерительной системы 121

4.3. Проведение эксперимента и методика регистрации положения локомотивных тележек в кривой 125 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 131 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 133

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Решение VI Международной научно-технической конференции "Проблемы развития локомотивостроения" 143

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Определение минимального радиуса кривой, при котором обеспечивается радиальная установка колесной пары 146

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Блок-схема программы 149

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Исходный текст основных модулей программы 152

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Сводная таблица расчетов 167

ВВЕДЕНИЕ

Внедрение в локомотивный парк страны мощных электровозов ВЛ80 позволило в 80-х годах осуществить переход на новые прогрессивные технологии поездной работы, связанные, прежде всего с увеличением длины и массы составов. В результате увеличились показатели пропускной и провозной способностей железных дорог.

Однако эксплуатация электровозов ВЛ80 на перевальных участках дорог с кривыми малого радиуса показала, что вписывание их в такие кривые с тяжеловесными составами сопряжено с увеличением тенденции к боксованию колес и к повышению интенсивности бокового износа гребней. Кроме того, электровозы ВЛ80 оборудовались системами электрического торможения: ВЛ80р - рекуперативного, ВЛ80с,т - реостатного. Использование электрического торможения для движения на спусках с постоянной скоростью в свою очередь связано с появлением юза колесных пар, который негативно влияет на величину износа гребней локомотивных колес. Наблюдения за условиями работы электровозов ВЛ80 производились на Забайкальской и Дальневосточной железных дорогах.

Анализ профиля Забайкальской железной дороги показал, что 36 % общей протяженности дороги составляют кривые; третья часть кривых - кривые малого радиуса. Профиль Дальневосточной дороги, во многом идентичен Забайкальской; здесь участки Архара - Вира, Уссурийск - Владивосток, Угловая -Находка, Комсомольск - Советская гавань имеют протяженность кривых от 45 % до 54 %, среди них кривые малого радиуса составляют более половины.

Проведенные в 1988-1991 годах поездки с динамометрическим вагоном на Читинском отделении ЗабЖД и на участке Смоляниново - Находка ДВЖД свидетельствуют о том, что электровозы в этот период эксплуатировались в интенсивном режиме, граничащим с недопустимым. На перевальных участках вождение тяжеловесных поездов осуществлялось по схеме: кратная тяга в голове

состава и локомотив в хвосте. При движении по расчетным подъемам в отдельных случаях, скорость движения бывала ниже расчетной в два раза, токовая нагрузка тягового двигателя нередко достигала 1 ООО А. Отмечались повышенная частота возникновения боксования, срыв сцепления первых по ходу колесных пар, несмотря на интенсивную подсыпку песка под колеса локомотива. При движении на спусках, с использованием электрического торможения, наблюдался интенсивный процесс юза. В погоне за возвратом электроэнергии, рекуперативное торможение нередко производилось двумя локомотивами с головы поезда, даже при наличии легковесных вагонов в начале состава. Создание больших тормозных сил приводило к выдавливанию вагонов в составе, развалу рельсов в криволинейном участке пути.

Результатом этого стали многочисленные отказы электрического и механического оборудования. Одновременно при прохождении кривых малого радиуса фиксировалось увеличение направляющих усилий, передаваемых рельсом гребню набегающего колеса; что нашло отражение в резком увеличении бокового износа головок наружных рельсов и гребней колес подвижного состава.

Исходя из принятых на сегодня межремонтных сроков эксплуатации пути и подвижного состава, удельный износ гребней бандажей не должен превышать

4

0,4 мм на 10 км пробега локомотива, а удельный износ рельсов в кривых радиусом менее 350 м - 0,12 мм на млн. тонн пропущенного груза. Фактическая интенсивность износа гребней колес электровозов ВЛ80Р приписки депо Смо-

4

ляниново ДВЖД достигла к началу 90-х годов 4,2 мм на 10 км пробега, а боковой износ рельсов в кривых радиуса менее 300 м на Партизанской дистанции пути ДВЖД составил 0,32 мм на млн. тонн. Близкие к этим показатели износа рельсов и гребней колес электровозов ВЛ80 фиксировались на других участках ДВЖД и ЗабЖД. В результате на обеих дорогах в ожидании обточки или смены колесных пар по износу гребней простаивали десятки электровозов; из-за от-

сутствия новых рельсов в пути оставлялись рельсы с боковым износом, превышающим нормативы, что вынуждало вводить ограничения скорости.

Ухудшение состояния пути и бандажей колес локомотивов привело к значительному осложнению организации эксплуатационной работы ДВЖД и ЗабЖД, увеличению расходов на поддержание пути и локомотивного парка в исправном состоянии.

С подобными проблемами столкнулись и другие железные дороги страны, имеющие участки с кривыми малого радиуса. К решению проблемы были привлечены практически все научные коллективы системы МПС.

В 1987 году автор был включен в состав исследовательской группы ВНИ-ИЖТа, руководимой старшими научными сотрудниками Басовым Ю.А. и Пер-цовским М.Л., которая в условиях ДВЖД занималась внедрением системы автоматического управления режимом тяги и рекуперации, защиты от боксования и юза, организация работы электровозов ВЛ80р по системе многих единиц. Цель этой работы - оптимизация режимов работы электровозов ВЛ80Р с целью повышения их тяговых и тормозных свойств.

В 1989 году в ХабИИЖТе под руководством профессора В.Г. Григоренко были начаты многосторонние исследования причин повышенного бокового износа рельсов и гребней колес подвижного состава в кривых. Цель работы, выполненной в рамках программы этих исследований, состоит в установлении причинно - следственных связей между изменениями параметров поездной работы локомотивов и интенсивностью бокового износа рельсов и гребней колес электровозов ВЛ80 в кривых малого радиуса. Для достижения цели решались задачи:

• проведение анализа существующих методов кинематического и динамического вписывания локомотивов в кривые при движении в режимах тяги и электрического торможения;

• исследование процесса вписывания локомотивных тележек в криволи-

нейные участки пути;

• установление влияния изношенности гребней колес и боковой поверхности головок рельсов на скорость проскальзывания по рельсу гребня набегающего колеса;

• исследование возможности снижения сил интенсивности износа изменением параметров движения и параметров пути;

• исследование возможности управления интенсивностью бокового износа рельсов и гребней колес за счет перераспределения тормозной нагрузки между колесными парами электровоза ВЛ80, за счет введения дополнительных межтележечных связей и за счет принудительного удерживания тележек в хордовом положении.

Для решения поставленных задач использованы методы аналитической механики описания движения сложных механических систем, численные методы решения систем нелинейных алгебраических уравнений, методы интегрирования дифференциальных уравнений; при проведении экспериментальных исследований использовались методы планирования эксперимента.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Создана уточненная математическая модель, описывающая процесс вписывания электровоза ВЛ80 в криволинейные участки пути малого радиуса при движении в режиме электрического торможения, позволяющая исследовать поведение локомотивных тележек при движении по таким кривым, установить причинно-следственные связи между параметрами поездной работы локомотивов, параметрами пути и интенсивностью бокового износа рельсов и гребней колес. В математической модели впервые учтено:

• влияние системы люлечного подвешивания на разворот тележек в рельсовой колее;

• влияние подсыпки песка под колеса для предупреждения юза, установки межтележечных поперечных связей, а также влияние устройств удержи-

вающих тележки в хордовом положении, на величину силы нормального давления гребня колеса на рельс;

• влияние закона изменения угла разворота тележек в рельсовой колее на скорость упругого проскальзывания по рельсу поверхностей катания колес;

• влияние изношенности контактирующих поверхностей гребня и рельса на скорость проскальзывания по рельсу гребня набегающего колеса;

2. Обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований позволило сделать следующие выводы:

• тележки электровоза ВЛ80 при входе в кривую малого радиуса на первых метрах пути устанавливаются в перекосное положение и сохраняют его до выхода из кривой (при больших силах торможения тележка устанавливается в положение максимального перекоса);

• определяющее влияние на процесс перекашивания тележек оказывают касательные силы на поверхностях катания колес;

• перекашивание тележек приводит к появлению дополнительных поперечных составляющих касательных сил на поверхностях катания колес, которые увеличивают силу нормального давления на рельс гребня набегающего колеса и, соответственно, увеличивают боковой износ рельсов и гребней колес;

• изменением параметров движения и параметров пути невозможно добиться существенного снижения сил бокового давления гребней набегающих колес на рельс;

• подсыпка песка под колеса для предупреждения юза приводит к возрастанию поперечных составляющих касательных сил на поверхностях катания колес и, как следствие, к увеличению силы нормального давления гребня колеса на рельс, к росту интенсивности бокового износа рельсов и гребней колес;

• изношенное колесо с углом наклона прямой вставки гребня к оси колесной пары более 75° при набегании на неизношенный рельс имеет в 1,5 -2 раза большую скорость проскальзывания гребня по сравнению с неизношенным колесом при тех же условиях контактирования;

• устройство, удерживающее тележку в хордовом положении за счет пары сил, позволяет при определенном значении момента пары полностью исключить перекос тележки и обеспечить близкие к нулю значения силы нормального давления на рельс гребня набегающего колеса.

Практическая ценность работы:

1. На основании проведенных исследований сделан вывод, что некоторого уменьшения интенсивности износа гребней колес электровоза ВЛ80 и бокового износа рельсов в кривых малого радиуса можно добиться за счет исключения из эксплуатации локомотивов, у которых угол наклона прямой вставки гребня к оси колесной пары превышает 75° (при норме 70°)

2. Для радикального решения проблемы бокового износа рельсов и гребней колес электровозов ВЛ80 необходимо предусматривать установку устройства, обеспечивающего принудительное удерживание локомотивных тележек в хордовом положении за счет пары сил. Расчеты показывают, что величина момента пары, который должен создаваться таким устройством, в среднем составляет 250 кНм.

Основные положения диссертации докладывались на четырех научно-технических конференциях кафедр ДВГАПС (г. Хабаровск, 1991, 1997, 1997, 1998 гг.), на Дальневосточной научно-практической конференции "Проблемы транспорта Дальнего Востока" (г. Владивосток, 1995 г.), на VI Международной научно-технической конференции "Проблемы развития локомотивостроения" (г. Москва, 1996 г.), решение VI международной конференции представлено в ПРИЛОЖЕНИИ 1, на II международной конференции "Проблемы транспорта Дальнего Востока (г. Владивосток, 1997 г.), на отраслевой научно-технической

конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в ее решении" (г. Ростов-на-Дону, 1998 г.), на I международной научной конференции творческой молодежи "Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке" (г. Хабаровск, 1999 г.)

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОБЛЕМЫ КИНЕМАТИЧЕСКОГО И ДИНАМИЧЕСКОГО ВПИСЫВАНИЯ ЛОКОМОТИВОВ В КРИВЫЕ

1Л. Кинематика вписывания локомотивных тележек в кривые малого радиуса

Кривыми малого радиуса будем называть такие кривые, у которых радиус удовлетворяет соотношению [25]

р<[р], (11)

где [р] - минимальный радиус кривой, при движении по которой свободная колесная пара может устанавливаться так, что ее продольная ось будет постоянно проходить через центр кривой. Обеспечивается это за счет коничности поверхностей катания колес и поперечного смещения колесной пары к наружному рельсу. Для определения [р] можно пользоваться следующей формулой (вывод формулы - см. ПРИЛОЖЕНИЕ 2):

2Ь

Г 2ЬЛ

[р] = ^ --^ , (1-2)

6рГ ЧОС] +012 I У

где 2Ь - расчетный диаметр круга катания колес, Ькп - расстояние между центрами этих окружностей, 8рг - суммарный зазор между рельсами и гребнями колес, 0С1 и (Х2 - коничности поверхностей катания колес. Для Ькп= 1,58 м,

8рГ = 0,034 м в табл. 1.1 приведены значения [р] при различных сочетаниях 2Ь,

а^ и а2, встречающихся в эксплуатации.

Из табл. 1.1 следует, что кривые с [р] < 200 м во всех случаях надо считать кривыми малого радиуса.

Таблица 1.1

Минимальный радиус кривой при различных геометрических размерах бандажа

«1 0,05 од ОД ОД

а2 0,05 од 0,05 0

2Ь, м 1,25 0,95 1,25 0,95 1,25 0,95 1,25 0,95

[р],м 558 482 268 207 409 314 558 482

При движении без проскальзывания свободной колесной пары по кривой малого радиуса путь, пройденный центром колеса на внутреннем рельсе, больше чем за то же время путь центра колеса на наружном рельсе. За счет этого ось колесной пары поворачивается в плане до тех пор, пока гребень колеса на наружном рельсе не коснется боковой поверхности рельса. Дальнейшее движение колесной пары может идти только с прижатием гребня колеса к наружному рельсу, при этом поверхность катания колеса на внутреннем рельсе проскальзывает по головке рельса. У колесной пары в этом движении сохраняется тенденция к дальнейшему увеличению угла поворота в плане.

На движение колесных пар в составе 2-осных тележек накладываются дополнительные ограничения. В расчетах по вписыванию подвижного состава в кривые малого радиуса обычно принимается, что продольная ось тележки установлена по хорде кривой, обе колесные пары прижаты гребнями колес к наружному рельсу; первая (набегающая) колесная пара занимает положение, аналогичное положению свободной колесной пары. Такая установка тележек в кривых наблюдается и в реальных условиях при движении об�