автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Оценка влияния конструкции и технического состояния вагона на интенсивность изнашивания гребней колес

Министерство Путей Сообщения Российской Федерации Уральская Государственная Академия путей сообщения

На правах рукописи УДК 629.4.027.118

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВАГОНА НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗНАШИВАНИЯ ГРЕБНЕЙ КОЛЕС

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1997

Работа выполнена в Уральской Государственной Академии

путей сообщения (УрГАПС)

Научный руководитель Научный консультант Официальные оппоненты

- кандидат технических наук,

профессор В.А. Ивашов,

- кандидат технических наук,

профессор М.В. Орлов

- академик транспорта,

доктор технических наук профессор В.В. Лукин - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ю.В. Зыков

Ведущее предприятие - ГПО "Уралвагонзавод"

Защита состоится " 28 " февраля 1997 г. на заседа специализированного совета К 114.11.01 при Уральской Государствен Академии путей сообщения в ауд. 283 в 14:00 ч. по адресу: 620 г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, УрГАПС.

Автореферат разослан " 20 " января 1997 г.

Отзыв на диссертацию в двух экземплярах с подписью, заверен печатью организации, просим направлять по адресу Совета Академии

2.

Ученный секретарь ^ диссертационного Совета д.т.н„ профессор_—--В.Е. Пот

Извещение

"> изменении в автореферате Сириной Н.Ф. "Оценка влияния струкции и технического состояния вагона на интенсивность изнашивания гребней колес"

Вторым официальным оппонентом утвержден Ефимов - кандидат технических наук, доцент, старший сотрудник, аующий лабораторией "металлических вагонных трукций и ресурсных испытаний" УО ВНИИЖТ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема интенсивного изнашивания гребней колес подвижного состава в настоящее время является одной из наиболее острых на железнодорожном транспорте. Опубликовано много статей, посвященных анализу причин бокового износа рельсов и гребней колес локомотивов. Значительно меньше работ выполнено по проблеме износа гребней колес вагонов.

Из анализа выполненных работ установлено, что за период увеличения интенсивности изнашивания гребней колес конструкция грузового вагона не претерпела принципиальных изменений, которые могли бы послужить причиной увеличения интенсивности изнашивания гребней колес. Однако было установлено, что интенсивность изнашивания гребней колес грузовых вагонов различна для разных вагонов одного состава. Примерно у 30 % вагонов отмечается максимальный износ, что зависит от конструкции- и технического состояния вагона, поэтому возможно уменьшение интенсивности изнашивания гребней колес за счет совершенствования конструкции тележек, норм их ремонта и технического обслуживания.

В сложившейся ситуации возникла угроза потери пропускной и провозной способности железных дорог и требуются колоссальные затраты на предотвращение сбоев перевозок' и обеспечения безопасности движения поездов.

Уральской Государственной Академией путей сообщения (УрГАПС), Уральским отделением (УО) ВНИИЖТ, совместно со службой вагонного хозяйства Свердловской ж. д. и ГПО "Уралвагонзавод" накоплены материалы по исследованию износа гребней колес в опытных составах УрГАПС - УВЗ. В опытных составах с 1978 г. эксплуатировались полувагоны серийной постройки ГПО "Уралвагонзавод" на роликовых подшипниках. Конструкция вагонов с 1978 г. не изменялась. Средняя интенсивность изнашивания в [988 - 90 гг. составила 2,25x10-5 мм/км, а в 1993 - 95 гт. - 7,3x10-^ мм/км, т.е. увеличилась более чем в 3 раза. Интенсивность изнашивания гребней в опытном составе полувагонов, курсирующем по участку с горным профилем, в 1992-1994 гг. была выше (около 10x10-5 мм/км), а в опытном составе цистерн еще выше (порядка 25х 10-5 мм/км).

Крайне осложнилась работа депо по ремонту вагонов. Если, например, в 1981 - 83 гг. при поступлении вагонов в деповской ремонт около 70 - 80 % колесных пар по толщине гребней колес были пригодны для подкатки на следующий межремонтный период, то в 1993 - 94 гг. это количество уменьшилось до 15-20 %. Увеличилась потребность в ремонте колесных пар со сменой элементов и в обточке колес.

Рассчитанный срок службы колес уменьшился в 2,5 - 3 раза. К следствие, увеличился остаток вагонов в ремонте, а также - прост« вагонов в текущем ремонте.

Поэтому возникла задача разработки мероприятий по увеличен!: технического ресурса колесных пар и по уменьшению отцепки вагоне связанной с увеличением изнашивания гребней колес.

Для реализации поставленной задачи в условиях увеличен потребности в ремонте колесных пар со сменой элементов и потребное в обточке колес возникает необходимость разработки мероприятий 1 уменьшению износа гребней колес грузовых вагонов за сч совершенствование норм ремонта и технического обслуживания тележи

Цель работы. Цель работы заключается в разработке предложен! по уменьшению интенсивности изнашивания гребней колес грузов! вагонов за счет совершенствования конструкции тележек и изменен норм ремонта и технического обслуживания.

Поставленная цель достигнута:

применением системного комплексного подхода п теоретическом анализе интенсивности износа гребней колесных пар;

- сбором и обработкой статистических данных с использовани корреляционного и регрессионного анализа;

- методом статистического моделирования;

- анализом размерных цепей тележки.

В ходе работы быт решены следующие задачи:

- определена интенсивность изнашивания гребней колес грузов] вагонов в опытных составах;

- выполнен анализ интенсивности изнашивания гребней ко; грузовых вагонов в зависимости от технического состояния тележки условий эксплуатации;

- произведен анализ износа гребня колеса и рельса в зависимости геометрических параметров пары трения колесо - рельс;

- разработаны нормы ремонта и технического обслуживан тележек для современных условий эксплуатации.

Научная новизна проведенных исследований состоит в определен статистической связи интенсивности изнашивания гребней ко^ грузовых вагонов с геометрическими параметрами тележек, колесных п и буксового узла, в современных условиях эксплуатации. Получе следующие научные результаты:

1. Установлены основные причины, связанные с техническ состоянием тележек, влияющие на интенсивность изнашивания гpeб^ колесных пар.

2. Разработаны требования к ширине колеи в кривых участках гц радиусом менее 650 м из условия свободного вписывания телеи грузовых вагонов.

3. Разработаны технические требования на модернизацию существующих тележек грузовых вагонов, а также изменения норм ремонта и технического состояния тележек.

Практическая ценность. Результаты исследований позволили разработать рекомендации по изменению норм проектирования, ремонта и технического обслуживания тележек. Использование рекомендаций позволяет:

1. Уменьшить интенсивность изнашивания гребней колесных пар, за счет совершенствования норм содержания тележек.

2. Сократить потребности в обточке колес и увеличить технический ресурс и долговечность колес.

Рекомендации использованы при создании и отработке модернизации типовых тележек грузовых вагонов конструкторами Уральского Конструкторского Бюро вагоностроения ГПО "Уралвагонзавод".

Достоверность полученных результатов обеспечивалась:

- согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований;

- достаточным объемом статистических выборок результатов эксплуатационных опытных исследований вагонов;

- проверкой правильности выбора статистических распределений по критериям согласия.

Реализация работы. Исследования являлись составной частью задач, решаемых в соответствии с комплексной программой "Разработка мероприятий по снижению интенсивного износа рельсов и гребней колесных пар подвижного состава на Свердловской железной дороге" УрГАПС в сотрудничестве со Свердловской железной дорогой, УО ВНИИЖТ, ГПО "УВЗ".

Апробация работы. Основные положения данной диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на:

Научно - технической конференции УрГАПС "Фундаментальные и прикладные исследования - транспорту", Екатеринбург, 1995 г.

Научно - техническом семинаре "Проблемы бокового износа рельсов и гребней колес подвижного состава", Екатеринбург, 1995 -96 гг..

Научно - технических советах УО ВНИИЖТ, Уральского Конструкторского Бюро вагоностроения ГПО "Уралвагонзавод", 1996 г.

Второй Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта" посвященной 100 -летию МИИТа, Москва, 1996 г.

Научно - технической конференции УрГАПС "Фундаментальные и прикладные исследования - транспорту", посвященной 40-летию УрГАПС, Екатеринбург, 1996 г.

Публикации. Основные научные результаты работы опубликован в Юпечатных работах, изданных в трудах УрГАПс, трудах МИИТа.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение посвящено обоснованию актуальности диссертационнс работы, цели диссертации, научной новизне и практической ценное] проведенных исследований.

В первой главе приведен краткий обзор и анализ исследований области износа гребней колес подвижного состава и бокового изно< рельсов.

В течении последнего десятилетия на сети дорог РФ наблюдает! тенденция существенного роста интенсивности бокового изнашиваш рельсов и гребней колес подвижного состава. Износ пары трения колесо рельс оказывает существенное влияние на динамику системы вагон - пу и определяет плавность хода, устойчивость движения, безопасное движения.

Вопросам исследования взаимодействия пути и подвижного cocrai и износа пары трения колес - рельс посвящены работы следуюиц отечественных ученных: П.С. Анисимова, В.Р. Асадченко, Н.С. Бачурин Е.П. Блохтина, В.М. Богданова, Г.И. Богомаза, Ю.П. Бороненк

A.П. Буйносова, М.Ф. Вериго, С.В. Вершинского, И.И. Галиев Л.О. Грачевой, В.И. Доронина, Н.И. Ершовой, В.П. Есаулов Ю.В. Зыкова, АЛ. Коган, В.Н. Котуранова, Л.Н. Косарев МЛ. Левинсона, В.В. Лукина, М.В. Орлова, НА. Панькина, В.Е. Попов

B.В. Перекрестовой, Ю.С. Ромен, А.Н. Савоськина, М.М. Соколов A.B. Смольянинова, В.Н. Филлипова, М.А. Фришмана, В.Д. Хусидова других.

Влияние параметров подвижного состава и пути, на боковой из» гребней колес изучалось и ранее до резкого увеличения интенсивное изнашивания. Вопросу влияния параметров подвижного состава и пут на боковой износ гребней посвящеНы работы Л.О. Грачево М.В. Богданова, Ю.С. Ромена, В.А. Коваль, , В.Н. Шестаков М.В. Орлова.

Вопросам влияния условий эксплуатации на износ гребней кол посвящены работы О.Г. Юдина, В.В. Широглазова, ВА. Ивашов М.В. Орлова, A.A. Пранова, A.A. Соломенникова, Ю.В. Зыкое АЛ. Коган, М.И. Глушко.

В трудах названных и других исследователей по вопросу боково: износа рельсов и износа гребней колес показано, что рост износа вызв; совокупностью причин, связанных с конструкцией и содержанием пут подвижного состава, а также с изменением режима движения поездов норм загрузки вагонов.

Во второй главе для оценки износа гребней колес и боковых граней рельсов использовано понятие фактор износа, характеризующий затраты энергии на трение и износ гребня колеса о рельс:

Ф=(*1/Кк)хУнх1^, (1)

где .*! - расстояние от полюса поворота тележки до оси направляющей колесной пары;

XI/ Я^тр, (2)

XI = /т 12 + ав,

- радиус кривой; Уи - направляющее усилие; Р - угол набегания колеса на рельс; т - угол наклона гребня; /т - база тележки.

а3 - расстояние от полюса поворота тележки до геометрического центра тележки.

Фактор износа (1) гребней колес и рельсов зависит от условий вписывания вагона в кривые участки пути и технического состояния тележек. В зависимости от условий вписывания тележки в кривой участок пути возможны три их вида:

1. Заклиненное вписывание, соответствующее установке с опорой в трех точках (колес) (значение йп близко к нулю, Ун определяется силами трения и величиной упругого отжатая рельса, р имеет минимальное значение).

2. Принудительное вписывание, соответствующее установке тележки с наибольшим перекосом (/т/2>Яп>0, Ун меньше, чем при заклиненном вписывании, но больше, чем при свободном за счет недостаточного уширения).

3. Свободное вписывание соответствующее промежуточной установке (ап г /т/2, величина Уа имеет минимальное значение, фактор износа определяется величиной р).

Ширина колеи в кривых участках пути должна обеспечивать свободное вписывание тележки, поэтому в диссертационной работе выполняется анализ только для третьего вида вписывания. Расчетное уширение колеи должно соответствовать условиям яп > /т/2.

Для определения величины износа гребня в диссертационной работе выполнен расчет параметров, определяющих в фактор износа при свободном вписывании: угла набегания гребня направляющего колеса на рельс, зависящий от конструкции и технического состояния тележки;

направляющего усилия; расстояния от полюса поворота тележки до ос направляющей колесной пары. Расчет расстояния от полюса поворо! тележки до оси направляющей колесной пары выполнялся для грузовы вагонов т.к. грузовые вагоны являются основным видом подвижног состава, (примерно 90 %) из условия вписывания тележечного вагона кривые участки пути радиусом менее 650 м.

Определение направляющего усилия Ун и положения полюс поворота сп осуществлено с использованием допущений принятых известных методиках прочностных расчетов.

Направляющее усилие Ун для порожних и груженых вагоне пропорционально массе вагона Мо- Для груженых вагонов наименыш значение Ун=60 - 70 кН.

По расчету, полюс поворота (ап) в большинстве возможны ситуаций находится позади второй колесной пары тележки, т.е. тележк движутся в кривой с перекосом относительно оси пути (рис.1, 2).

Рис. 1. Зависимость положения полюса поворота тележки грузового вагона от радиуса кривой (при /т= 1,85 м, Мо=80 т, о=22,2 м/с)

дп,м

30 40 50 60 70 80 Мо,т

Рис. 2. Зависимость положения полюса поворота от массы вагона

(при 11к=250 м, о=22,2 м/с)

Угол набегания направляющего колеса определяется (рис.3) из выражения:

К +В/' + /2

(3)

В - расстояние между кругами качения колес.

Результаты расчета величины (Зо для максимального и минимального значения яп и приведены в табл. 1.

Таблица 1

Расчетное значение угла набегания направляющего колеса

Значения ап Величина Ро в радианах для кривых, радиусом, м

650 550 450 350 250

наибольший (Дш«=1.5м). 0,005 0,006 0,0075 0,0096 0,013

наименьший (Дгшп=0.7 м). 0,0038 0,0045 0,0056 0,0073 0,01

о

Рис. 3. Положение тележки в кривом участке пути Т - Т - касательная к окружности наружного рельса в точке Ок

Изменение данного угла Рф возможно в результате увеличени

зазора между гребнем колеса и рельсом за счет износа рельсов и гребней допусков на ширину колеи и расстояния между внутренними граням!

ободов колес. Угол набегания гребня колеса р^ определяется с помощы

уравнений окружностей: наружной нитки кривой и описанной поворото1 тележки относительно колеса второй колесной пары прижатого : внутреннему рельсу (набегающее колесо прижато к наружному рельсу, противоположное колесо второй колесной пары прижато к внутреннем рельсу) (рис. 4):

х2 + у2 = (Як + Б)2, х2 + (у-(Як -Э))2 = + В +1! -к 12,

Ро=?/-<;//. ?'=аг#/х, Ь = у-(Кк-3),<;// = агс1ёЬ//г.

где х, у - координаты точки контакта набегающего колеса; 11, И - толщина гребней колес в колесной паре.

колеса и рельсом

Рассчитаны зависимости величин углов от величины уширения колеи для различных радиусов кривых.

Для обеспечения возможности промежуточной или близкой к промежуточной установке тележки должны выполняться два условия.

Первое условие - необходимо дополнительное уширение колеи к расчетному вследствие движения тележки с перекосом. Его величина определяется из геометрического построения (рис. 5):

25=4хсЬ<8т£/2х5т(ф - (4)

гае

\ - угол перекоса тележки;

Рис. 5 Схема для расчета необходимого дополнительного уширения коле к расчетному в кривой 1 - установка тележки с перекосом, 2 - радиальна (хордовая) установка тележки.

Суммарное уширение

Дкс- «к + 25.

(

где йк - расчетное уширение колеи необходимое при раднальнс установке тележки во время движении по кривому участку пути (х, = I

а= /х/2)

(

Расчетные данные для нескольких значений приведены в табл. 2.

Таблица 2

Расчетное значение ширины колеи из условия качения тележки без набегания колеса на рельс

Радиус кривой, м Расчетное суммарное уширение для полюсного расстояния (ап), мм Расчетная ширина колеи для полюсного расстояния (ап), мм

ап= 1,5 м яп=0,7 м ап-1,5 м аа =0,7 м

250 17,9 12,01 1533 1527

350 12,8 8,6 1528 1524

450 9,9 6,7 1525 1522

550 8,1 5,5 1523 1520

650 6,9 4,6 1522. 1520

Второе условие свободного качения колесной пары в кривой (без набегания гребня колеса на рельс и без проскальзывания) известно в виде:

гн К.„+в/2-

-= , - (7)

% *х-в/2

где гя и гв - радиусы кругов качения колес колесной пары по наружному и внутреннему рельсам.

Радиус качения колес с коническими профилем поверхности катания:

г„=г+пу, гв=г-пу, (8)

где г - радиус круга катания (по кругу, отстоящему на 70 мм от внутренней грани обода колеса и посередине участка с уклоном 1/20); п - конусность поверхности катания;

у - величина возможного смещения колеса поперек оси пути по условию (7).

Для обеспечения качения наружного и внутреннего колес одиночной колесной пары по радиусам гн и гв необходимо увеличение ширины колеи в кривых участках пути (у). Из (7), (8) следует:

ъ Вт

к

Ширина колеи

(С4-20+у+А8.

Принято 1=34 мм, Д3=4 мм, С= 1437 - 1443 мм - расстояние межи внутренними гранями колес. Результаты расчета для г=482 м (наибольший диаметр колеса - 964 мм), п=0,05 и нескольких значений Б приведены в табл. 3.

Таблица

Расчетное значение ширины колеи из условия качения колесной пары бе набегания на рельс в кривых участках пути

RK, М 650 450 350 250

S, мм 1525 1531 1536 1544

Приведенный результат расчет показывает, что ширина колеи кривых, радиусом менее 650 м по существующим нормам недостаточь для качения колесной пары без перекоса.

Угол набегания гребня колеса первой колесной пары увеличивает! в случае перекоса колесной пары в результате перекоса рамы тележки

Р = Ро + РЬ (И

где 01 - угол набегания гребня колеса на рельс в результате разной расстояний ДА между осями колесных пар с правой и левой сторон тележки.

Угол набегания гребня колеса на рельс в результате разнося расстояний ДА между осями колесных пар с правой и левой сторон тележки определяется; >

1^1 = ДА/В, (1

где В - расстояние между кругами катания.

Размер А между осями колесных пар с левой и правой сторон является узловым размером. Составляющие размеры выражены линейных единицах измерения и параллельны. Узловой размер А мож! выразить в виде линейной размерной цепи, т.е. в виде замкнутс последовательности векторов, выражающих размеры деталей (рис. 6).

Il

Ез

E,

П3

П.

t2

А

М

Рис. 6. Линейная размерная цепь между осями колесных пар в тележке

(размер А)

Уравнение определения номинальных значений размерной цепи:

A = M-(ni + ti + (F2-E2) + t2 + n2, (12)

+ 7

где М=2185 ^ мм - расстояние между наружными вертикальными поверхностями буксовых проемов;

Fi= р2=335+|^ мм - ширина буксового проема;

Ei= Е2 = 328'+2^ мм - ширина корпуса буксы;

ti= t2 = 37 - 41 мм - толщина корпуса буксы; П!=П2 - радиус подшипника.

Выполнены два вида расчета узлового размера: расчет на максимум-минимум и теоретико-вероятносный расчет.

Максимальный возможный угол набегания гребня колеса за счет

о

перекоса колесных пар составляет 0,75-10 рад.

Составляющие размеры в установленных конструкцией пределах (от max до min) являются случайными величинами. В ранее выполненных работах показано, что составляющие размеры линейной цепи распределяются по нормальному закону. Вероятность нахождения составляющего размера в установленных конструкцией пределах определяется по функции Лапласа

йсг

ко

где - дифференциальная функция распределения 1 - го составляющей размера;

Н, к -коэффициенты нормированного отклонения, соответствующи установленным конструкцией пределам.

Вероятность того, что в одном узле сойдутся размеры, находящнее в этих пределах, составляет:

ще п - количество составляющих размеров;

Исследованиями УО ВНИИЖТ установлено, что при разниц расстояний А более 4 мм возрастает изнашивание 1ребней.

Вероятность того, что в тележке со случайно подобранным элементами разность расстояний А будет в пределах Е=4 мм определяется

Ф - функция Лапласа.

В результате определения вероятности того, что в тележке с случайно подобранными элементами разность расстояний А будут пределах 4 мм, установлено, что общий допуск на узловой размер А ь должен превышать 4 мм. Выполнить такое требование при существующе технологии ремонта и изготовления практически не возможно.

Величина забегания боковин определяется положение надрессорной балки, которое может зависеть от положения клиньев л высоте, размеров клиньев, наклона фрикционной планки, жесткост пружин, зазора между надрессорной балкой и фрикционном клином.

Угол набегания гребня колеса в случае забегания боковин за сч( перекоса надрессорной балки определяется

где АК=5п+6л - отклонение (перекос) надрессорной балки от поперечне оси тележки (здесь 5П,5Л - перемещение концов надрессорной балки правой и левой стороны тележки);

Б =2036 мм- расстояние между боковыми рамами тележки.

Р(^ = |Р(ч.)1а

= АК/Б,

(1

Величины 8п,5л - перемещения надрессорной балки от поперечной оси с правой и левой стороны определяются из геометрического построения.

Угол набегания гребня колеса за счет продольного перемещения надрессорной балки в результате наличия зазора между надрессорной балкой и фрикционным клином определяется

1вР»2 = ЕД/Ь, (14)

где ЕЛ - минимальный суммарный зазор с одной стороны тележки между надрессорной балкой и фрикционным клином (по чертежу ЕЛ = 12 мм);

Ь - 358 мм расстояние между проемами для фрикционных клиньев в надрессорной балке.

Суммарный угол набегания гребня колеса за счет забегания боковых рам в результате перекоса и продольного перемещения надрессорной балки:

Р2 = (^2 + ^2, (15)

Угол набегания гребня направляющего колеса первой колесной пары определяется суммированием трех углов

Р=Р0 + Р! + Р2, (16)

где рг - угол набегания гребня колеса образующийся за счет забегания боковин.

Угол перекоса колесной пары за счет забегания боковин ограничивается зазорами в буксовом проеме вдоль и поперек вагона.

Ограничение перекоса колесной пары за счет зазоров в буксовом проеме вдоль и поперек вагона возможно в двух вариантах:

- защемление буксы;

- опора в двух точках.

Ограничение угла набегания, за счет забегания боковин, происходит по минимальному углу перекоса колесной пары за счет зазоров в буксовом проеме.

В результате анализа возможных перекосов колесных пар установлено, что рама тележки может иметь следующие формы. При условии, что расстояние между осями колесных пар с левой и правой стороны равны и забегания боковых рам нет, то угол набегания имеет

минимальное значение и равно ро, а рама тележки форму

прямоугольника. В случае забегания боковых рам тележка имеет в} параллелограмма. В этом случае угол набегания гребня колеса на рел)

равен Р0± Р2.

В случае разницы расстояний между осями колесных пар забегания боковых рам, рама тележки имеет вид трапеции. В случа когда рама тележки имеет вид трапеции, угол набегания гребня колеса }

рельс представляет алгебраическую сумму (Ю± Р1+ р2.

Для определения влияния геометрических и физико-механичеоа характеристик пары трения колесо - рельс на износ создаь аналитическая модель. Для создании модели использованы расчетаь зависимости усталостной теории износа.

При набегании гребня колеса на рельс происходит скольжеш поверхности гребня по боковой грани головки рельса. В этом с луч; перемещение элементарной площадки АР (рис. 8) направлено г касательной к окружности радиуса 1п +1\ (здесь гп расстояние от точ! контакта на гребне колеса до мгновенного центра поворота колеса, координата элементарной площадки). Износ элементарной площадки 4 происходит при ее прохождении по пятну контакта. Тогда суммарнь износ элементарной площадки АР за один цикл нагружения определяете*

где, С, го- постоянные, характеризующие физико-механическ] характеристики пары трения;

Р - давление на площадке контакта, распределяющееся на площад контакта по закону:

1ДР=1С-(Р(Ь))Ш<1Ь,

(1

о

Из геометрического построения (рис. 7)

Для прямой 1-11 (рис. 7)

х-соэ^)-/ вт(т')

1Я

Рис. 7. Расчетная схема для вычисления износа по элементарной площадке АР за один цикл нагружения 1 - гребень; 2 - площадка контакта

Тогда закон распределения давления по площадке контакта с учетом выражения (19) имеет вид

Р(х)=Р

шах

х-со^)-/

»Цг)

(20)

С учетом выражений (18) и (20) износ элементарной площадки АР на пути трения Ь равен:

1ДР= ' С

шах

1-1-1 -а

х'со

4гН

\2

(г)

ш

ах

(21)

Пределы интегрирования определяются из системы уравнений эллипса и прямой 1-Н

2 2 х ,У -I

a b

х-со s[y)-l

У =

sui(y)

Величина износа определялась численным интегрированием в срег программного пакета "Mathcad PLUS 6.0" на персональном компьютер R-Style-486 DX2-50.

В результате расчетов по приведенной методике получен зависимости износа площадки AF за одно нагружение от геометрическр характеристик пары трения колесо - рельс, условий нагружения зон контакта и радиуса кривой.

Износ площадки AF в зависимости от расстояния между центра эллипса и траекторией движения (координаты /,) распределен г параболическому закону. При уменьшении радиуса кривой харакг« увеличения износа зависит от угла наклона гребня (рис. 8). Пр увеличении величины угла наклона гребня колеса к основанию с 60° i 13° износ увеличивается в 1,5 раза. Характер изменения износа связан изменением нормальной силы N=Xcosx) и пути трения L=fti?(f (tgx)).

С увеличением угла набегания направляющего колеса направляющего усилия износ площадки AF увеличивается. Пр увеличении угла набегания направляющего колеса и направляюще] усилия от минимума к максимуму увеличение износа составляет 1,6 и 2 раза соответственно.

Увеличение износа площадки AF в зависимости от расстояш между подпятником и полюсом поворота (ап) изменяется г экспоненциальному закону (рис. 9).

В третьей главе приведены результаты экспериментальнь исследований интенсивности изнашивания и влияния техническо) состояния тележки на износ гребней колес грузовых вагоно Установлено, что в период 1980 - 1982 гг. среднее значение интенсивное-изнашивания составляет 2,73х 10 3 мм/км, в 1993 - 95 гг. -7,33 х 10 5 мм/к т.е. увеличение, более чем в 2,7 раза.

По результатам измерений в 1994-95 гт. распределен] интенсивности бокового изнашивания гребней колес характеризует коэффициентом вариации около 0,25.

in

Рис. 8. График зависимости износа площадки ДР от величины радиуса кривой и угла наклона гребня к основанию

МО4, мм

1,4 г

1,2 -

1 -

0,8 -

0,6 -

0,4 -

0,2 -

0,84 0,86 0,88 0,9 0,92 0,94 0,96 0,98 1 ап,м

Рис. 9. График зависимости износа площадки ДР от расстояния между подпятником и полюсом поворота (ап)

Анализ интенсивности изнашивания гребней колес у вагоне разных лет постройки показал, что интенсивность изнашивания вагонов постройки 1995 г. и 1978-88 гг. примерно одинакова.

Определена зависимость интенсивности изнашивания гребней < наработки вагона (пробега) или, точнее - изменение интенсивное] изнашивания при увеличении величины износа. По данным 1995 интенсивность изнашивания за первые 25 тыс. км пробега полувагоь составила - 14,4х10-5 мм/км, за последующие 25 тыс. км - 4х10-5 т. уменьшилась примерно в 3,5 раза.

Исследование связи износа гребня (Аг) и проката (8) кол! показало, что эти величины не коррелируются.

Определена интенсивность изнашивания в зависимости < расстояния между внутренними гранями ободов колес. Интенсивное-изнашивания с увеличением размера от 1438 до 1440 - 1441 м увеличивается примерно на 20 %.

Связи между диаметром колеса и износом гребня по результата корреляционного анализа не установлено. Износ гребней связан разностью диаметра колес с левой и правой стороны колесной пары.

По результатам измерений разница диаметров пятника подпятника за счет износа достигает 18 мм. Обследованные подпятнга были разделены по разнице диаметров на две группы: 0-3 мм и 12-18 м а по глубине износа рабочих опорных поверхностей на две группы: износом 0 - 2 мм и 3 - 6 мм без учета формы износа. Разницы величин износа гребней для перечисленных групп не установлено.

По результатам измерения зазоры между скользунами с одной и другой стороны вагона имеют среднее значение 9,4 мм и 7,6 \ суммарный - 19,9 мм. При исследовании в опытных состав; полувагонов для перевозки руды (расстояние от плоскости пятника ; центра тяжести кузова - около 0,9 м) влияние величины зазора и разниг зазоров у одной тележки (средней из максимальных - около 6 мм) 1 износ гребней не отмечено.

Значения общего угла набегания гребня колеса определенные 1 экспериментальным данным приведены табл. 4.

Таблица

Значение общего угла набегания гребня колеса на рельс

Углы набегания шах, х 101 рад тпш., х Ю-3 рад

Р» 13 0,3

Р2 57 16

Р=01 + 02 70 16,2

В четвертой главе приведено технико-экономическое обоснование следующих предложений:

- изменение норм ремонта и технического обслуживания тележек;

- изменение норм на толщину гребней колес при подкатке их под вагоны деповского ремонта.

Предложения по уменьшению норм ремонта и технического обслуживания тележек разделены на группы:

Подпятниковый узел:

Установить контроль при деповском ремонте за разностью диаметров пятника и подпятника.

Тележка:

Установить контроль размера 328^| корпусов букс и размера

335*^ в буксовых проемах при деповском ремонте. Разницу указанных

размеров с левой и правой стороны тележки допускать не более 2 мм. Уменьшение разности расстояний между осями колесных пар в этом случаи составит 18 %. Ограничить допуск на отклонение от центра корпуса буксы при расточке до ±2 мм. Уменьшение разности расстояний между осями колесных пар в этом случае составит 36 %.

Согласно результатов проведенных исследований уменьшение толщины гребня ведет к снижению интенсивности изнашивания гребней колес, а уменьшение нормы толщины гребня при подкатке под вагоны деповского ремонта ведет к снижению количества колесных пар, подлежащих обточке.

Методом статистического моделирования определено изменение количества колесных пар, вышедших в текущий ремонт в течении года и требующих обточки после года эксплуатации, при изменении нормы толщины гребней.

В результате расчетов установлено, что оптимальной нормой толщины гребня из условия уменьшения количества колесных пар, подвергающихся обточке, является толщина гребня 29 мм.

Для существующих норм уширения колеи в кривых - уменьшение расстояния между внутренними гранями ободов колес при формировании

1440^2 мм.

Установка контроля разницы диаметров одной колесной пары при подготовке вагонов к перевозкам (норма соответствует норме при деповском ремонте).

При изменении нормы на толщину гребней при подкатке под вагоны при деповском ремонте с 30 мм до 29 мм сокращение потребности в обточке колес составит 2,6 тыс. Ожидаемая экономия средств - 177 млн. рублей.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ, РЕЗУЛЬТАТЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Анализ исследований, посвященных износу гребней колес современных условиях, показал, что увеличение интенсивное! изнашивания в течении последних 10-15 лет наблюдается у всех типе подвижного состава.

2. Разность максимального и минимального значена интенсивности изнашивания гребней колес составляет у вагоне распределена в широком диапазоне. Примерно у 30 % вагонов отмечаете максимальный износ, что зависит от конструкции и техническог состояния вагона, поэтому возможно уменьшение интенсивное! изнашивания гребней колес за счет совершенствования конструкци тележек, норм их ремонта и технического обслуживания.

3. Интенсивность изнашивания гребней колес зависит от величин износа (пробега вагона). По данным 1995 г. интенсивность изнашиваш за первые 25 тыс. км пробега полувагона составляет - 14,4х Ю-3 мм/км,: последующие 25 тыс. км - 4х 10 3 т.е. уменьшается примерно в 3,5 раза.

4. Ширина колеи в кривых радиусом менее 650 м по существующи нормам (для колеи 1520 мм) недостаточна для свободного вписываш тележки.

5. В результате анализа возможных перекосов колесных пг установлено, что рама тележки может иметь следующие форм! прямоугольника (расстояние между осями колесных пар с левой и праве стороны равны и забегания боковых рам нет), в этом случае угс набегания имеет минимальное значение; параллелограмма (расстояж между осями колесных пар с левой и правой стороны равны и имеет забегание боковых рам тележки); трапеции (различное расстояние межг осями колесных пар и наличие забегания боковых рам).

6. Прямой связи между отдельными размерами и допусками i размеры элементов тележек и интенсивности изнашивания гребней кол вагонов не установлено. Интенсивность изнашивания зависит < величины угла набегания гребня колеса на рельс, которая определяет совокупностью геометрических параметров тележки

7. Разработана методика расчета фактора износа гребней колес рельсов в зависимости от условий вписывания вагона в кривые учасп пути и технического состояния тележек.

8. Создана аналитическая модель износа пары трения колесо рельс, для определения потери материала гребней колес и рельсс Математическая модель реализована в среде программного паке "Mathcad PLUS 6.0" на персональном компьютере R-Style - 486 DX2 - 5

9. Разработана методика расчета потребности в обточке колес зависимости от установленной нормы на толщину 1ребня из услов] более полной выработки ресурса колес.

10. Предложены изменения норм ремонта и технического состояния тележек, которые можно разделить на две группы по:

- изменению норм ремонта и технического обслуживания тележек;

- изменению норм на толщину гребней колес при подкатке их под вагоны деповского ремонта.

По первой группе:

10.1. Требования к паре трения пятник - подпятник:

1). Установить контроль при деповском ремонте за разностью диаметров пятника и подпятника.

10.2. Требования к тележке:

1). Установить контроль размера 328* | корпусов букс и размера

в буксовых проемах при деповском ремонте. Установить

допустимую разницу указанных размеров с левой и правой стороны тележки не более 2 мм.

2). При постройке вагонов внедрить механическую обработку вертикальных стенок буксовых проемов боковых рам и корпусов букс для достижения параллельности и плоскостности поверхностей.

3). При изготовлении тележек наносить систему меток:

1. по центрам центрального рессорного и буксового проемов боковых рам для определения положения надрессорной балки;

2. по центрам смотровых крышек букс для определения колесной

базы.

По второй группе:

103. Предложение по колесным парам:

1). Изменить норму на толщину гребней при подкатке под вагоны при деповском ремонте с 30 мм на 29 мм.

2). Для существующих норм уширения колеи в кривых - уменьшить расстояния между внутренними гранями ободов колес при формировании

1440*2 мм.

3). Установить контроль разницы диаметров одной колесной пары при подготовке вагонов к перевозкам (норма соответствует норме при деповском ремонте).

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

47 I. Н.Ф. Сирина. Анализ интенсивности износа гребней кол вагонов // УрГАПС. - 1994. - Вып.1 (83): Актуальные проблем безопасности на железнодорожном транспорте. - с. 59 - 62: ил., 3 табл. 1 библиогр. С. 62.

2. В.А. Ивашов, М.В. Орлов, М.Г. Буткин, Н.Ф. Сирина. Оцега интенсивности износа гребней колес вагонов по результат: эксплуатации полувагонов в опытном составе. II Тезисы докладов науч! - технической конференции к презентации академии "Фундаментальные прикладные исследования - транспорту" Екатеринбург, УрГАПС. - 199 с. 78 - 79.

ч/ 3. М.В. Орлов, Н.Ф. Сирина. Разработка предложений I изменению норм на толщину гребней колес при ремонте грузовь вагонов. // УрГАПС. - 1996. Вып. 4 (86). Повышение надежное! совершенствование ремонта и технического обслуживания вагонов. С. 122 - 126: ил. 1, табл. 1. - Библиогр. С. 126 (2 назв.). V 4. Н.Ф. Сирина. Возможности улучшения использован! технического ресурса колес вагонов за счет изменения правил обточки случае износа гребней. // УрГАПС. - 1996. Вып. 4 (86). Повышен! надежности, совершенствование ремонта и технического обслуживай] вагонов. - С171 - 174: табл. 2. - Библиогр. С. 174 (2 назв.).

5. Ивашов В А., Орлов М.В., Н.Ф. Сирина. Оценка влияю конструкции и технического состояния вагона на интенсивность изно гребней колес. // Тезисы докладов второй научно - техническ< конференции. "Актуальные проблемы развития железнодорожно: транспорта", Москва, сентябрь, 1996.

6. М.В. Орлов, С.В. Сидоров, Н.Ф. Сирина. Исследование прич] увеличения интенсивности износа гребней колес вагонов. // УрГАПС. 1996. Вып. 4 (86). Повышение надежности, совершенствование ремонта технического обслуживания вагонов. - С.З - 36: ил. 7, табл. 2. - Библиог С. 22-23 (12 назв.).

^ 7. С.А.Сенаторов, Н.Ф.Сирина, С А. Власов. Прогнозирован износа колесных пар грузовых вагонов и пути. II УрГАПС. - 1996. Вып, (86). Повышение надежности, совершенствование ремонта и техническо обслуживания вагонов. - С71 - 82: ил. 3. - Библиогр. С. 81 - 82 (10 назв.)

8. М.Г. Буткин, ВА. Ивашов, Н.Ф. Сирина, Н.Д. Талапот Интенсивность износа поверхности пары трения "пятник - подпятник" 1 результатам испытания вагонов в опытном поезде. II УрГАПС. - 19£ Вып. 4 (86). Повышение надежности, совершенствование ремонта технического обслуживания вагонов. - С151 - 156: ил. 2, табл. 4.

9 Ивашов ВА., Орлов М.В., Н.Ф. Сирина. Методика расче фактора износа гребней колес вагонов II УрГАПС. - 1996. - Вып. 5 (8

Наука и транспорт сегодня: проблемы и решения. С. 130-137: ил. 3. -Библиограр. с. 137 (2 назв.)

10 М.В. Орлов, Н.Ф. Сирина. Определение положения полюса поворота тележки вагона и угла набегания направляющего колеса в зависимости от уширения колеи в кривых участках пути. // Тезисы докладов юбилейной научно - технической конференции "Фундаментальные и прикладные исследования - транспорту" Екатеринбург, УрГАПС. - 1996, с. 116.

СИРИНА НИНА ФРИДРИХОВНА

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВАГОНА НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗНАШИВАНИЯ ГРЕБНЕЙ КОЛЕС

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Подписано к печати усл.-печ. №_

ЗакЗГо

Формат 60x84 1/16 _Тираж 100 ¡кз