автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Оценка тяговых качеств тепловозов с электропередачей с учетом воздействия электрического тока на зоны контакта колес с рельсами

На правах рукописи

ПЕТРАКОВ Дмитрий Иванович

ОЦЕНКА ТЯГОВЫХ КАЧЕСТВ ТЕПЛОВОЗОВ С ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧЕЙ С УЧЕТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ЗОНЫ КОНТАКТА КОЛЕС С

РЕЛЬСАМИ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

т

005059301

Брянск - 2013

005059301

Работа выполнена на кафедре «Подвижной состав железных дорог»

ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кобищанов В.В. - директор учебно-научного института транспорта ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Тихомиров В.П. - заведующий кафедрой «Детали машин» ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет»

кандидат технических наук, доцент Чучин А.А. - доцент кафедры «Электрическая тяга» МГУПС «Московский университет путей сообщения»

Ведущая организация - ОАО «Научно-исследовательский и конструк-торско-технологический институт подвижного состава» (Коломна).

Защита состоится 21 мая 2013 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.021.02 Брянского государственного технического университета по адресу: 241035, г.Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7, конференц-зал учебного корпуса №4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет».

Автореферат разослан « апреля 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

С.Л. Эманов

Таблица 2

Результаты расчета прогнозируемых тяговых качеств тепловозо типа ТЭ10

№ Состояние контакта колеса с рельсом, форма электрического тока Значение коэффициента сцепления щ Прогнозируемое увеличение %

/ = 600 А /=3000 А

1 Постоянный ток; машинное масло 0,1 0,24 140

2 Переменный ток; машинное масло 0,1 0,23 130

3 Выпрямленный двухполуперионый ток; машинное масло 0,1 0,2 100

4 Выпрямленный однополуперионый ток; машинное масло 0,1 0,18 80

5 Постоянный ток; вода с добавлением машинного масла 0,19 0,29 53

6 Переменный ток; вода с добавлением машинного масла 0,19 0,285 50

7 Выпрямленный двухполуперионый ток; вода с добавлением машинного масла 0,19 0,28 47

8 Выпрямленный однополуперионый ток; вода с добавлением машинного масла 0,19 0,275 45

9 Постоянный ток; вода 0,26 0,46 77

10 Переменный ток; вода 0,26 0,45 73

11 Выпрямленный двухполуперионый ток; вода 0,26 0,43 65 .

12 Выпрямленный однополуперионый ток; вода 0,26 0,42 62

13 Постоянный ток; сухой, чистый 0,36 0,58 61

14 Переменный ток; сухой, чистый 0,36 0,57 58

15 Выпрямленный двухполуперионый ток; сухой, чистый 0,36 0,56 55

16 Выпрямленный однополуперионый ток; сухой, чистый 0,36 ; 0,55 53

На опытном тепловозе был осуществлен подвод постоянного тока тягового генератора в зоны контакта колес первой колесной пары с рельсами через элементы колесно-моторного блока.

Для создания необходимого сопротивления движению вторая секция тепловоза использовалась в качестве тормозной единицы, при этом в ходе испытаний не только включалась система пневматического торможения, но и устанавливались башмаки под колеса секции.

Для регистрации силы тяги первой секции тепловоза было разработано _ и изготовлено специальное измерительное устройство, помещенное в авто-

В момент срыва сцепления первой колесной пары тепловоза значение ее углового ускорения по методу Раз181т составило 4,15 рад/с2, по методу Минова - 6,1 рад/с2, после чего резко увеличилась интенсивность его наростания (рис. 6). При пересчете угловых ускорений колесных пар тепловоза на линейные ускорения точки на поверхности катания колеса имеем 0,35 м/с2 и 0,51 м/с2 соответственно, что хорошо согласуется с эксплуатационными данными.

При компьютерном моделировании процесса функционирования системы повышения тяговых свойств тепловоза в момент времени, соответствующий пределу сцепления колесной пары, первой сорвавшейся в разнос, увеличивался коэффициент сцепления колес локомотива с рельсом в соответствии со значениями, полученными в гл. 3 с 0,25 до 0,4. При этом указанное увеличение в момент включения системы происходило скачкообразно.

Анализ результатов моделирования показал, что срыва сцепления удалось избежать, однако на графиках видно (рис. 7), что скачкообразное увеличение коэффициента сцепления ведет к возник-новению возмущающих воздействий в тяговом приводе тепловоза, что негативно сказывается на динамике состава: перераспределению нагрузки по колесным парам, возникновению дополнительных ускорений на кузове и т.д.

В ходе дальнейшего моделирования определены параметры системы повышения тяговых качеств тепловоза, при которых наряду с устранением возможности возникновения боксования колесных пар минимизируются вызванные ее функционированием дополнительные возмущающие воздействия в тяговом приводе. Таким образом, предлагаемая система должна срабатывать в момент достижения одной из колесных пар локомотива (как правило первой по ходу движения) значения углового ускорения 3,6 рад/с2 (0,3 м/с2 при пересчете на линейное ускорение точки на ободе колеса), то есть с опережением момента срыва сцепления. При этом темп увеличения коэффициента сцепления должна превышать темп убывания сил крипа (рис. 8).

На основании экспериментальных исследований и математического моделирования сформулированы основные технические требования к системе повышения тяговых качеств тепловозов с электропередачей, в соответствии с которыми разработана принципиальная схема указанной системы (рис. 9).

К ■ 105, н

И ! ! ; И

1,6 2,0

Рис. 7. Результаты моделирования функционирования системы повышения тяговых свойств тепловоза

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Сформулированы основные технические требования и создан натурный экспериментальный стенд для исследования тяговых качеств локомотивов. Стенд позволяет проводить исследования тяговых качеств существующих тепловозов с электропередачей при воздействии постоянным, переменным и выпрямленными электрическими токами на зоны контакта колес с рельсами и при различном состоянии контакта по степени загрязнения, что позволило решить поставленные в настоящей работе задачи.

2. Значение предельного коэффициента сцепления *//0 зависит от силы электрического тока I, подаваемого в зону контакта колеса локомотива и рельса, а также от силы вертикального нагружения колеса Увеличение I приводит к существенному росту щ. С увеличением происходит небольшое снижение у/0, которое достигает 3...7% в диапазоне нагрузок соответствующем диапазону нагрузок колес современных локомотивов.

3. Сравнение результатов исследований коэффициента сцепления при подаче в зону контакта колеса и рельса токов различного вида не выявило значительного расхождения значений щ в одинаковых условиях по загрязнению контакта. Так для значения силы электрического тока 3000 А при наличии на рабочих поверхностях воды с добавлением машинного масла коэффициент сцепления в среднем увеличивался от 0,2 до 0,3, только воды -от 0,28 до 0,45, при сухих обезжиренных рабочих поверхностях - от 0,38 до 0,57. Исключение составили эксперименты, проведенные при наличии машинного масла в контакте. Так, при подаче в его зону постоянного тока в диапазоне 600. ..3000 А коэффициент щ увеличивался в среднем от 0,1 до 0,25. Для переменного тока увеличение у/0 составило 0,1...0,24, для выпрямленного двухполупериодного - 0,1. ..0,22, а для выпрямленного однополупериодного -0,1...0,21.

4. Получены регрессионные модели предельного коэффициента сцепления локомотива, позволяющие с достаточной степенью точности прогнозировать тяговые качества локомотивов при воздействии электрическим током на зоны контакта их колес с рельсами.

5. Прогнозируемое увеличение касательной силы тяги локомотивов при подаче электрического тока величиной 3000 А в зоны контакта колес с рельсами составило: при наличии машинного масла в контакте - 100-150 %, при наличии воды с добавлением машинного масла - 50-60 %, при наличии воды - 65-80% и для чистого, сухого контакта — 55-65 %.

6. Проведены испытания одной секции тепловоза типа 2ТЭ10У при воздействии током тягового генератора на контакты передней колесной пары с рельсами. Результаты испытаний дали основания для проведения дальнейших натурных исследований в области повышения сцепных качеств локомотивов при воздействии электрическим током на зоны контакта колес с рельсами.

7. Определены параметры системы повышения тяговых качеств тепловоза, согласно которым предлагаемая система должна срабатывать в момент достижения одной из колесных пар локомотива значения углового ускорения 3,6 рад/с2 (0,3 м/с2 при пересчете на линейное ускорение точки на ободе колеса).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В журналах из списка ВАК:

1. Ивахин, А.И. Моделирование пятна контакта колеса с рельсом в устройствах для исследования динамических процессов в тяговом приводе локомотива / А.И. Ивахин, В.И. Травиничев, Д.И. Петраков // Тяжелое машиностроение. - 2012. - №1. - С. 33-36.

2. Ивахин, А.И. Стенд для исследования тяговых свойств в системе колесо-рельс железнодорожных транспортных средств / А.И. Ивахин, В.И. Травиничев, Д.И. Петраков // Тяжелое машиностроение. —2011. - №4. — С. 2-5.

3. Ивахин, А.И. Управление тяговыми качествами тепловозов с элек-. • трической передачей мощности / А.И. Ивахин, Д.И. Петраков // Тяжелое машиностроение. - 2011. - №3. - С. 11-16.

4. Кобищанов, В.В. Исследование влияния электрического тока на сцепление колеса локомотива с рельсом / В.В. Кобищанов, А.И. Ивахин, Д.И. Петраков // Мир транспорта и технологических машин. - 2012. - №3(38). -С. 50-55.

5. Петраков, Д.И. Использование натурных испытательных установок для исследования тяговых качеств подвижного состава / Д.И. Петраков // Мир транспорта и технологических машин. - 2011. — №4. — С. 51-55.

Документы на объекты интеллектуальной собственности:

6. Пат. 2469287 Российская федерация. Стенд для исследования взаимодействия колеса с рельсом железнодорожных транспортных средств / А.И. Ивахин, Е.А. Садовский, В.И. Травиничев, Д.И. Петраков.

Публикации в других изданиях:

7. Ивахин, А.И. Экспериментальный стенд для исследования сцепных свойств локомотивов / А.И. Ивахин, Д.И. Петраков // Труды VI междунар. симп. по трибофатике МСТФ 2010, Минск, 25 ок. - 1 нояб. 2010. в 2 ч. 4.2 -Минск: БГУ, 2010. - 727 с. - С. 85-87.

8. Петраков, Д.И. Повышение тяговых качеств тепловозов с электрической передачей мощности / Д.И. Петраков, А.И. Ивахин // Инновации 2010. Современное состояние и перспективы развития инновационной экономики: материалы междунар. молодежного форума, 21-22 апр. 2010 г., г. Брянск / под ред. A.B. Матвеева. - Брянск, 2010. — С. 613-617.

9. Петраков, Д.И. Стенд для исследования коэффициента сцепления колеса локомотива с рельсом / Д.И. Петраков, М.Б. Сафранков // тезисы докладов 64-й студенческой научной конференции БГТУ 2009, 20-25 апр. 2009 г., г. Брянск. - Брянск, 2009. - С. 20-21.

10. Петраков, Д.И. Улучшение взаимодействия колеса электроподвижного состава с рельсом / Д.И. Петраков // Энергосбережение и ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте - инвестиции в будущее: сборник докладов конференции, 1 дек. 2010 г., г. Москва. - Моска, 2010. -С. 70.

11. Petrakov, D. Experimental Bench for Research of Interaction of Wheel and Rail / D. Petrakov // Transcom 2011: 9-th European conference of young research and scientific workers, June 27-29, 2011, Zilina, Slovak Republic. - Zilina, 2011.-P. 169-172.

ПЕТРАКОВ Дмитрий Иванович

ОЦЕНКА ТЯГОВЫХ КАЧЕСТВ ТЕПЛОВОЗОВ С ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧЕЙ С УЧЕТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ЗОНЫ КОНТАКТА КОЛЕС С

РЕЛЬСАМИ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 15.04.13 Формат 60x80 1/16. Бумага офсетная Офсетная печать. Усл. печ. л. 1,1 Тираж 100 экз. Заказ 214.

Брянский государственный технический университет.

241035, г. Брянск, БГТУ, бульвар 50-летия Октября, 7. Телефон 55-90-49.

Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201 3581 91 ПЕТРАКОВ ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ

ОЦЕНКА ТЯГОВЫХ КАЧЕСТВ ТЕПЛОВОЗОВ С ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧЕЙ С УЧЕТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ЗОНЫ КОНТАКТА КОЛЕС С

РЕЛЬСАМИ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов

и электрификация

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Кобищанов В.В.

Брянск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................... 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................................... 9

1.1. Актуальность проблемы................................................. 9

1.2. Обзор работ в области исследований сцепных свойств колеса локомотива с рельсом....................................................................................................................13

1.2.1. Влияние промежуточной среды на фрикционные свойства

пары трения «колесо-рельс»..................................................................................................13

1.2.2. Способы повышения физического коэффициента сцепления 17

1.2.3. Влияние электрического тока на пару трения «колесо-рельс» 25

1.3. Постановка задач диссертации..................................................................................27

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

ТЯГОВЫХ КАЧЕСТВ ЛОКОМОТИВОВ..............................................................................30

2.1. Обоснование и основные требования к экспериментальному стенду..........................................................................................................................................................30

2.2. Общее устройство стенда................................................................................................34

2.3. Основные устройства и системы стенда............................................................37

2.3.1. Устройство вертикального нагружения колеса................... 37

2.3.2. Система подачи электрического тока в зону контакта колеса

с рельсом..................................................................................................................................................39

2.3.3. Система регистрации касательной силы тяги..........................................41

2.3.4. Тарировочное устройство..........................................................................................44

2.3.5. Устройство для обработки резанием поверхности катания колеса..........................................................................................................................................................45

2.4. Принцип действия и основные возможности стенда..........................46

Выводы......................................................................................................................................................50

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ТЯГОВЫХ КАЧЕСТВ ЛОКОМОТИВОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ НА ЗОНЫ

КОНТАКТА КОЛЕС С РЕЛЬСАМИ........................................................................51

3.1. Основные задачи и общая методика исследований..............................51

3.2. Результаты исследований на экспериментальном стенде................52

3.2.1. Программа и методика проведения экспериментов..........................52

3.2.2. Обоснование диапазона варьирования исследуемых внешних факторов....................................................................................................................................................56

3.2.3. Планирование и проведение эксперимента................................................59

3.3. Испытания натурного тепловоза с электрической передачей мощности..................................................................................................................................................82

3.3.1. Объект испытаний............................................................................................................82

3.3.2. Задачи и методика проведения испытаний................................................86

3.3.3. Результаты испытаний при отсутствии явных загрязнений рабочих поверхностей колес и рельсов........................................................................88

3.3.4. Результаты испытаний при загрязнении рабочих

поверхностей рельсов машинным маслом................................................................91

Выводы......................................................................................................................................................93

ГЛАВА 4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ТРОГАНИЯ С МЕСТА И РАЗГОНА ТЕПЛОВОЗА ПРИ

УВЕЛИЧЕНИИ ПРЕДЕЛЬНОГО КОЭФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ..............95

4.1. Теоретическое обоснование методов и среды моделирования .. 95

4.2. Компьютерная модель тепловоза............................................................................100

4.3. Результаты компьютерного моделирования процессов в

тяговом приводе тепловоза......................................................................................................102

4.4. Основные технические требования к системе повышения

тяговых качеств тепловозов....................................................................................................111

Выводы........................................................................................................................................................114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................122

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................................................124

ВВЕДЕНИЕ

Одна из главных задач современного развития железнодорожного транспорта России заключается в обновлении изношенного парка локомотивов. Решение этой проблемы требует разработки и создания перспективного тягового подвижного состава и глубокой модернизации значительного числа существующих локомотивов.

Для достижения высокой эффективности перевозочного процесса необходимо внедрять на локомотивах передовые технические решения, направленные на повышение энергетических показателей, надежности и эколо-гичности, улучшающие общую культуру эксплуатации.

Основным назначением локомотива является реализация силы тяги, позволяющей трогать с места и транспортировать железнодорожный состав в различных погодных и географических условиях, при наличии загрязнений ходовой части и пути. Тяговые качества локомотива непосредственно зависят от его сцепных свойств, которые определяются коэффициентом сцепления колес с рельсами. Для определенной конструкции локомотива при существующих ограничениях по нагрузке ведущих колесных пар на рельсы нельзя значительно повысить его силу тяги без внешнего воздействия на зоны контакта колес с рельсами, увеличивающего коэффициент сцепления. В настоящее время применяются и предложены методы повышения сцепления, связанные с подачей песка в указанные зоны, а также чисткой рельсов от загрязнений и другие, которые имеют существенные недостатки и не удовлетворяют сложившимся требованиям.

Увеличения коэффициента сцепления и, следовательно, силы тяги можно достичь путем подачи электрического тока в пятна контакта колес с рельсами. По этому вопросу были проведены начальные исследования [12, 13]. Однако их результаты оказались недостаточными для практического применения полученного эффекта на локомотивах, что обусловило необходимость дальнейшего изучения проблемы. Как показали исследования, pea-

лизация указанного метода невозможна без наличия на локомотиве мощного источника электрической энергии. Из существующих типов локомотивов таким источником (тяговым генератором) обладают тепловозы с электрической передачей мощности.

Целью настоящей работы являлось исследование тяговых качеств тепловозов с электропередачей, направленное на установление закономерностей повышения коэффициента сцепления при воздействии электрическим током на зоны контакта колес с рельсами.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: разработан и создан натурный экспериментальный стенд для исследования тяговых качеств локомотивов;

определены количественные показатели коэффициента сцепления колес локомотива с рельсами при воздействии на зоны, их контакта постоянным, переменным и выпрямленными электрическими токами и при различном состоянии контактирующих поверхностей по степени загрязнения;

определены качественные показатели силы тяги тепловоза с электропередачей при подаче в зоны контакта колес с рельсами тока тягового генератора;

сформулированы основные технические требования к системе повышения тяговых качеств тепловозов, предложен вариант системы, основанный на подаче тока тягового генератора тепловоза в зоны контакта колес с рельсами.

Экспериментальные испытания проводились с использованием современных средств контроля и обработки данных на ПЭВМ. Обработка результатов экспериментов велась с использованием известных общепризнанных методик, базирующихся на современном аппарате математической статистики, математических методах обработки экспериментальных данных, теории планирования экспериментов. Теоретические исследования базировались на двух теориях расчета сил крипа: моделях Минова и Раз181т.

На защиту диссертации вынесены следующие основные положения:

обоснование использования разработанного натурного экспериментального стенда для проведения исследований тяговых качеств локомотивов при воздействии электрическим током на зону контакта колеса с рельсом;

методика получения достоверных математических зависимостей величины коэффициента сцепления от силы тока, проходящего через зону контакта колеса с рельсом, и силы вертикального нагружения колеса;

оценка влияния тока тягового генератора на силу тяги тепловоза с электропередачей;

анализ результатов компьютерного моделирования процесса трогания с места и разгона тепловоза с учетом роста коэффициента сцепления, обусловленного воздействием электрическим током.

Исследования, выполненные в рамках настоящей диссертации, дали ряд результатов, которые можно отнести к научной новизне работы:

получены математические модели коэффициента сцепления колес локомотива с рельсами при воздействии на зоны их контакта постоянным, переменным и выпрямленными электрическими токами и при различном состоянии контактирующих поверхностей по степени загрязнения;

получены характеристики сил крипа, распределения нормальной нагрузки по колесным парам и угловых ускорений колесных пар в режиме трогания с места и разгона тепловоза при росте коэффициента сцепления по нескольким законам.

Практическая значимость работы заключается в следующем: разработан и создан научно-исследовательский натурный стенд, позволяющий проводить эксперименты, направленные на изучение процессов сцепления колеса локомотива с рельсом, и обеспеченный патентной защитой;

полученные математические модели коэффициента сцепления позволяют прогнозировать на этапе проектирования тяговые качества локомотивов при прохождении электрического тока через зоны контакта колес с рельсами;

сформулированные в работе основные технические требования могут быть полезны при разработке систем повышения тяговых свойств локомоти-

вов, основанных на подаче электрического тока в зоны контакта колес с рельсами;

оборудование тепловозов с электропередачей системой повышения тяговых качеств, предложенной в работе, позволит значительно увеличить их эксплуатационную эффективность.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

64-я студенческая научная конференция БГТУ, Брянск, 2009 г.; Международный молодежный форум «Инновации 2010. Современное состояние и перспективы развития инновационной экономики», Брянск, 2010 г.; VI международный симпозиум по трибофатике, Республика Беларусь, Минск, 2010 г.; III конференция «Энергосбережение и ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте - инвестиции в будущее», Москва, 1 декабря 2010 г.; Международная конференция молодых ученых ТгапБСот 2011, Словакия, Жилина, 2011 г.

По теме работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ и 1 патент РФ на изобретение 1Ш №2469287.

Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение и список литературы.

В первой главе обоснована актуальность темы диссертации, выполнен обзор работ в области исследований сцепных свойств колеса локомотива с рельсом, поставлены задачи диссертации.

Во второй главе дано обоснование применения натурного экспериментального стенда для решения задач диссертации, отражены основные технические требования к стенду и его устройство, рассмотрены измерительная система и принцип действия стенда, даны выводы;

В третьей главе представлены результаты исследований тяговых качеств локомотивов на экспериментальном стенде и испытаниям макетной системы повышения тяговых свойств на натурном тепловозе, даны выводы.

В четвертой главе приведено компьютерное моделирование процесса трогания с места и разгона тепловоза при увеличении предельного коэффициента сцепления, сформулированы основные технические требования к системе повышения тяговых качеств тепловозов, предложен вариант указанной системы, даны выводы.

В заключении даны выводы по основным положения диссертации.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Актуальность проблемы

В настоящее время износ локомотивного парка страны достиг предельного значения и составляет для электровозов в среднем 73,3 % и 84,1 % - для тепловозов [99]. Решение этой проблемы ОАО «РЖД» видит в ежегодном

выпуске 500 новых локомотивов и модернизации существующих машин, что

[

обеспечит повышение эффективности железнодорожных перевозок. Для этого требуется внедрение на перспективных локомотивах передовых технических решений, охватывающих более 50 направлений научных исследований [99].

Согласно стратегической программе развития железнодорожного транспорта России планируется повышение осевых нагрузок до 25-30 т и массы поездов до 6000-12000 т при повышении скорости их движения [56]. Вследствие этого имеет место тенденция по увеличению секционной мощности локомотивов (до 1000 кВт на ось и более [30, 31, 99]). Исследования, проведенные во ВНИИЖТе, показали, что повышение удельной мощности локомотивов в 1,5 раза способствует увеличению веса состава на 15 %, ходовой скорости на 30 %, а участковой на 40-60 %. Это позволит увеличить пропускную способность на 20-25 %, а провозную - на 40 % при сокращении на 35-40 % штата локомотивных бригад и снижении на 10-20 % общих эксплуатационных расходов [115].

Реализация намеченных тенденций непременно приведет к росту ускоряющих, замедляющих и направляющих сил, передаваемых от подвижного состава на цуть через пару трения «колесо-рельс». От характера взаимодействия колес с рельсами зависит не только провозная и пропускная способности железных дорог, но и надежность пути и подвижного состава, а также экономические показатели работы железнодорожного хозяйства в целом.

Проблема взаимодействия колес локомотива с рельсами, несмотря на свою значимость, в настоящее время изучена недостаточно. Это связано с большой сложностью процессов, происходящих в контакте колеса с рельсом, трудностями при их математическом описании и экспериментальных исследованиях. Указанная проблема представляет собой целый комплекс научно-технических задач, требующих решения в каждом конкретном случае, в частности, относительно снижения износа поверхностей катания колес и рельсов, разработки материалов для их производства, оптимизации профилей, изучения динамики взаимодействия.

Одной из самых важных является задача исследования сцепных свойств колес локомотива с рельсами, которые определяются коэффициентом сцепления у/ и являются основным ограничивающим фактором для увеличения касательной силы тяги локомотива [9, 30, 99]. Наибольшая по сцеплению сила тяги прямопропорционально зависит от максимально возможного коэффициента у/ и сцепного веса локомотива. При ограниченных значениях у/ увеличить силу тяги можно только путем повышения сцепного веса и, следовательно, осевой нагрузки на рельсы, что может стать причиной повышенного износа контактирующих поверхностей и ряда других проблем.

Анализ факторов, оказывающих влияние на коэффициент сцепления [9, 46, 73], позволил представить его в следующем виде:

¥ = ¥о-г1о-г1тп-Лк^ 0-1)

где: у/0 - предельный коэффициент сцепления, учитывающий фрикционные свойства поверхностей трения колес и рельсов;

г/0 - основной коэффициент использования сцепного веса локомотива, учитывающий влияние расхождения характеристик тяговых двигателей, различие диаметров бандажей колесных пар, неравномерность статической развески по осям и колесам локомотива, устойчивое перераспределение вертикальных нагрузок по осям, вызванное реализацией тяговых и тормозных усилий и т. д.;

77дин - динамический коэффициент использования сцепного веса локомотива, учитывающий периодические колебания вертикальных нагрузок и тяговых усилий по осям локомотива и прерывистое боксование его колес; г/к - коэффициент, учитывающий влияние кривого участка пути на ве-

I

личину реализации тягового усилия локомотива. Коэффициенты г}0, т]тп, г]к характеризуют влияние конструктивных

параметров локомотива и пути, а их произведение представляет собой коэффициент использования сцепного веса локомотива г]. Тогда выражение (1.1) принимает следующий вид:

¥ = ¥о-'П- О-2)

Согласно ряду исследований [9, 46, 73] коэффициент использования сцепного веса локомотивов имеет значения 0,665...0,98. При этом величина коэф�