автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение ресурса бандажей колесных пар электровозов технологическими мероприятиями в условиях локомотивного депо

Актуальность работы. На протяжении последних двух десятков лет на сети дорог России наблюдается интенсивный износ гребней колесных пар локомотивор. Из результатов проведенного на Московской железной дороге анализа установлено, что его пик приходится на 1995-1996 г г. Так в локомотивном депо Бекасово средний износ колесных пар на 10 тыс. км пробега локомотива составил в 1995г. 1,16 мм, а на отдельных локомотивах - до 2,1 мм.

Интенсивный износ бандажей колесных пар приводит к существенному увеличению эксплуатационных расходов на техническое обслуживание и ремонт тягового подвижного состава (ТПС), способствует снижению безопасности движения поездов. Износ бандажей зависит от многих факторов и, прежде всего, от состояния самого бандажа, плана и профиля обслуживаемого участка, состояния рельсовой колеи, качества сборки и геометрии рас-положення колесных пар в раме тележки локомотива. Проблеме износа деталей и узлов машин и бандажей колесных пар ТПС в том числе посвящено много теоретических и практических исследований, научных работ, публикаций ученых России и других стран. Настоящая работа отличается комплексным подходом к решению задачи снижения интенсивности износа гребней колесных пар на основе определения и изучения основных факторов, влияющих на скорость износа, активного воздействия на эти факторы. Она представляет собой методику снижения скорости износа гребней до уровня среднесетевых, т.е. ориентировочно до 0,35 мм на 10 тыс. км пробег, выполнением мероприятий доступных, каждому локомотивному депо.

Исследования проведены на примере электровозов ВЛ10У и ЧС7, приписанных к локомотивным депо Бекасово и Москва-Киевская и обращающихся на конкретных участках Московской железной дороги. Работы выполнены при научном руководстве и непосредственном участии в исследованиях автора, являющегося начальником локомотивного депо Бекасово.

Для решения теоретических вопросов, связанных с поставленной задачей в короткие сроки были проведены натурные испытания совместно со специалистами Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ), Всероссийского научно-,;с|едовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), Коломенского российского научно-исследовательского института тепловозов и путевых машин, Брян-|о государственного технического университета. ель работы. Целью работы является создание методики снижения интенсивности 1ней бандажей колесных пар ТПС путем выполнения мероприятий по активному воздей-> в условиях локомотивного депо на факторы, от которых зависят скорость износа и с бандажей.

Методика выполнения работы состояла в сочетании теоретических и экспериментальных исследований и сравнительного анализа процессов износа гребней бандажей колесных пар до и после осуществления основных технологических мероприятий в условиях локомотивного депо направленных на увеличение ресурса бандажей.

Научная новизна. Установлены основные факторы, оказывающие существенное влияние на интенсивность износа гребней бандажей колесных пар, на которые можно оказывать существенное влияние в условиях локомотивного депо.

Разработана методика и осуществлена оценка эффективности предложенных технологических мероприятий увеличения ресурса бандажей.

Практическая ценность работы. Применение предлагаемых мероприятий в условиях локомотивного депо позволяет в среднем в три раза увеличить ресурс бандажей колесных пар, уменьшить расход электроэнергии на тягу поездов за счет снижения сопротивления движению поезда и повысить надежность колесных пар, а соответственно и безопасность движения.

Реализация работы. Технологические мероприятия для снижения интенсивности износа гребней колесных пар внедрены в 1996-97 г.г. в локомотивном депо Бекасово Московской железной дороги, в разной степени в других депо, рекомендованы для широкого внедрения на сети железных дорог России.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на технических совещаниях, проводимых в Управлении Московской железной дороги, Московско-смоленском отделении дороги (1997г.), на научно-техническом семинаре кафедры «Электрическая тяга» Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) (май 1999г.), на научно-практической конференции по ресурсосбережению (МИИТ, октябрь 1999г.)

Содержание работы. В локомотивном депо Бекасово в 1995г. был проведен анализ зависимостей величины износа гребней колесных пар от наработки (пробега), интенсивности износа их от первоначальной толщины гребней, состояния пути и геометрии установки колесных пар в рамах тележек электровозов ВЛ10У. Было установлено, что интенсивность износа гребней колесных пар существенно зависит от следующих факторов:

- правильности выбора профиля катания бандажа колесных пар электровозов, параметры которого в свою очередь зависят от состояния рельсовой колеи и в первую очередь от величины износа рельсов.

- объема применения рельсосмазывателей и гребнесмазывателей, обеспечивающих снижение износа гребней и рельсов.

- устранения асимметричного положения колесных пар в раме тележки электровоза.

Выбор рационального профиля катания бандажей колесных пар электровозов.

Движение электровоза в кривых участках пути сопровождается трением гребней о боковые гребни наружных рельсов. Это трение вызывает интенсивный износ гребней и рельсов, увеличивает сопротивление движению и расход энергии на тягу. Интенсивность износа поверхностей в зоне контакта колесо - рельс зависит от целого ряда причин: грузонапряженности и скорости движения, осевых нагрузок, плана и профиля пути, вида тяги поездов, состояния ходовых частей подвижного состава и т.д.

Усиление бокового воздействия колеса на рельс связано, как правило, с увеличением углов набегания гребней колес на боковую грань рельсов из-за нарушений вписывания тележек подвижного состава в кривые. Интенсивность износа колес повышается одновременно с ростом износа рельсов, что может быт объяснено уменьшением площадки контакта гребня колеса с рельсом. Особо неблагоприятной считается ситуация, когда колесо катится по наружному рельсу в кривом участке пути, контактируя с рельсом только гребнем и не имея опоры на поверхность катания. Обычно так происходит в случае контакта рельса с неизношенным бандажом колесной пары, боковой износ которого составляет 15 мм и более. А в условиях эксплуатации бандажа с номинальными параметрами поверхности катания он нередко контактирует именно с изношенным рельсом, поскольку бандажи колесных пар обтачивают много раз в периоде между ремонтами пути со сменой рельсов.

Инструкция МПС ЦТ-329 от 1995 г. разрешает применять для эксплуатации локомотивов бандажи колесных пар различного профиля, что позволяет применительно к местным условиям подобрать оптимальный из существующих профилей, а не решать задачу создания нового.

Оптимизация профиля бандажа - задача многофакторная, но при ее решении целесообразно учитывать, что нужен профиль, обеспечивающий оптимальную и мало изменяющуюся площадь контакта боковой поверхности рельса и гребня бандажа по мере их износа.

При боковом износе рельсов до 5 мм площадь контакта бандажей различных профилей уменьшается незначительно (не более чем на 5 мм2), а у профилей ДМетИ ЛР (толщина гребня 30 мм), рис.1., и ДМетИ ЛБ (33 мм) площадь контакта даже возрастает приблизительно на 17-19 мм2.

В результате опытного внедрения профиля ДметИ, расчетных данных и эксплуатации колесных пар электровозов с различными профилями построены зависимости площади контакта Эк от величины бокового износа рельса И (рис. 2).

Точка х, мм у, мм 5.95 10.36 18.00 21.93 24.14 25.86 27.05 28.41 29.13 30.

Рис. 1 Профиль бандажа ДМеТИ ЛР с гребнем толщиной 30 мм При боковом износе рельсов 5 мм профили ДМетИ по расчетам имеют в 2-2.5 раза большую площадь контакта (т.е. в 2-2.5 раза меньшие напряжения в месте контакта) по сравнению с другими профилями. Таким образом, самыми предпочтительными являются профили, разработанные ДметИ, с толщиной гребня 30 и 33 мм.

-Ряд1 - - - -Ряд

Эк ,мм по чертежу И718.00.00 профиль ДМетИ ЛР

Рнс1. Зависимости площади контакта боковой поверхности рельса с гребнем баиоажа 8к от бокового нтноса

Анализ полученных результатов показывает, что при боковом износе рельса свыше 7 мм происходит резкое уменьшение площади контакта бандажа и рельса, которая доходит до 10-12 ммг. На этом этапе проблема износа встает особенно остро, поскольку из-за уменьшения площади контакта колеса и рельса эффективность применяемой смазки гребня или рельса с целью снижения коэффициента трения сводится к минимуму. При развиваемом локомотивом боковом усилии около 7000 кГс возникающие контактные напряжения могут привести к пластической деформации поверхностных слоев (одна из причин образования остроконечного наката) или к схватыванию и вырыванию металла как из бандажа, так и из рельса. Такое резкое уменьшение площадей контакта является следствием геометрического несоответствия профилей бандажей и рельсов, как новых, так и частично изношенных.

Снижение интенсивности износа может быть достигнуто увеличением площадей контакта колеса и рельса за счет изменения профиля бандажа колеса. Площадь контакта должна быть такой, чтобы возникающие напряжения не превышали допустимых значений, а размеры контактного пятна не уменьшались по мере износа рельса и бандажа.

Поэтому целесообразно использовать профиль ДМетИ ЛБ с толщиной гребня 33 мм на участках обращения, где боковой износ рельсов в среднем превышает 5-7 мм. Это позволит увеличить площадь контакта колеса с изношенными рельсами, оставляя площадь контакта с новым рельсом на допустимом уровне. При боковом износе рельса, не превышающем 5-7 мм, целесообразнее использовать профиль ДМетИ ЛР с толщиной гребня 30 мм. Па такой профиль с середины 1996г. ведется обточка бандажей на станке КЖ-20Б всего приписного парка электровозов Ш110У в депо Бекасово.

Таблица 1.

Интенсивность износа гребней бандажей колесных пар электровозов

Год 1996г. 1997г.

Месяц май июнь июль январь февраль март

Средняя интенсивность износа гребней, мм/10 тыс. км 0,97 0,67 0,58 0,28 0,35 0,

Анализ результатов табл.1 показывает, как в 1996 году средняя интенсивность износа гребней колесных пар электровозов снижалась по мере внедрения профиля ДМетИ ЛР. Сравнение результатов 1996 и 1997г.г. свидетельствует о существенном снижении скорости износа гребней с новым профилем (Таблица. 1)

Оценка эффективности гребнесмазывателей и рельсосмазывателей для снижения износа гребней колесных пар

Смазывание колесных пар снижает износ гребней колес и рельсов, уменьшает расход энергии, облегчает вписывание в кривые за счет снижения сопротивления движению, увеличивает эффективность использования силы тяги локомотива. На тридцати электровозах и одном тепловозе депо Бекасово для смазывания гребней бандажей колесных пар установлены гребнесмазыватели АГС-8. Гребнесмазыватель представляет собой две форсунки плунжерного типа, подающие периодически по команде блока управления смазку на гребни бандажей колесных пар локомотива. Каждая форсунка имеет трубопровод, по которому поступает смазка из бака, заполняя дозирующую канавку плунжера, и воздуховод с электропневматическим вентилем (ЭПВ), подающим команду на впрыск смазки. Расход смазки для заправки автоматических гребнесмазывателей АГС-8 плунжерного типа составляет в депо Бекасово в среднем 2000 л в месяц.

Для оценки эффективности гребнесмазывателей в течение второй половины 1996 года и 1997 года осуществлен сбор и систематизация информации о толщине гребней бандажей колесных пар электровозов оборудованных и необорудованных гребнесмазывателями. Так как процесс изнашивания бандажей является случайным, обработка информации осуществлялась методами теории вероятностей, надежности, проверки статистических гипотез. Для этого использована методика расчета ресурса изнашиваемого оборудования, разработанная на кафедре «Электрическая тяга» МИИТа. величина контролируемого параметра, характеризующая износ деталей машин при фиксированном значении пробега, хорошо описывается нормальным законом распределения, что является следствием действия закона «больших чисел»

Теоретически и многочисленными опытами установлено, что случайная

1 -(х-тх)

Пример распределения выборки толщины гребней колесных пар электровозов, оборудованных гребнесмазывателями, представлен на рис.3.

Плотность распределения

Рис.3. Распределение толщины гребня бандажа колесной пары, оборудованной АГС-8 при наработке 1=41,6 тыс. км; тх=30,98 мм; 0=0,51 мм

По значениям числовых характеристик величин контролируемых параметров -средним значениям тл и среднеквадратическим отклонениям ст, и закону распределения можно прогнозировать процесс их изменения при больших пробегах с целью определения ресурса оборудования, для чего определяются аналитические зависимости средних значений тх и среднеквадратических отклонений стд от пробега.

В общем виде эту зависимость можно представить в виде некоторой нелинейной функции, у=У(ау С1-, О / ) ОДною аргумента ^ , в выражение которой входит параметров ^¿ц^, ^ помощью этой функции необходимо аппроксимировать эмпирическую регрессию, заданную в виде N точек , а под

1„у),где* = 1,2,.,п

У понимается один из параметров рассматриваемого закона распределения.

Параметры функции у находятся методом «наименьших квадратов». условие которого записывается в виде: п / \2 ! =

Критерием выбора "лучшей" зависимости числовых характеристик контролируемого параметра является минимум величины остаточной дисперсии:

0|.я2.о,,/,.))

Допустим, что при аппроксимации эмпирической зависимости с параметрами, остаточная дисперсия равна

Для проверки существенности уменьшения дисперсии г-> при аппроксимации эмпирических данных другой зависимостьюу ^, выраженной параметрами, выдвигается гипотеза '■ ^01 = ■ Проверка этой гипотезы имеет смысл, если ^ > £)02 и осуществляется по критерию Фишера: г = Л (4)

Использованный для расчетов алгоритм позволяет выбрать лучшую из следующего набора аппроксимирующих функций: линейная у = ОХ + Ъ; ггиперболическая у — а + Ы Х\ степенная у-ахь; показательная у=а1) • экспоненциальная у — а ехр(Ах) ; полином степени

Установлено, что зависимости [Л и ^ [ /

MxV) &XVJ изнашиваемых деталей

ЭПС хорошо описывается линейными функциями. у = ах + Ъ (5)

Коэффициент а линейной функции по методу наименьших квадратов определяется: a = ryl^ с6) где ryi -коэффициент корреляции между случайными величинами у и 1;

УУ, CTj -среднеквадратические отклонения, соответственно, у и 1;

На основании полученных зависимостей ш(1) и а(1) (рис. 4,5) становится возможным проанализировать процесс изнашивания гребней колесных пар и рассчитать показатели безотказности.

П1.П2 - соответственно объемы выборки значений парных наблюдений, по которым рассчитаны уравнения регрессии.

Здесь

I п,+п2

Для установления справедливости этой гипотезы расчетное значение ¿-критерия Стъюдента сравнивается с табличным 1ат.

Результаты сравнительного анализа уравнений регрессии для числовых характеристик контролируемых параметров бандажей колесных пар до и после применения рельсосмазывателей приведены в таблице 2. Уровень значимости а принят равным 0,05.

Результаты сравнительного анализа уравнений регрессии средних значений толщины гребня бандажей колесных пар, приведенные в таблице 2 показывают, что угловые коэффициенты а попарно сравниваемых уравнений регрессии существенно отличаются между собой. Следовательно, интенсивность износа гребней бандажей колесных пар при применении гребнесмазывателей существенно уменьшается. Чтобы оценить степень увеличения пробега смазываемых колесных пар до обточки, рассчитывались функции распределения ресурса смазываемых и не смазываемых колесных пар.

Результаты сравнения уравнений регрессии

Год Наблюдения Завнси мость Коэффициенты Уравнения объем выборки А, мм2 Но /с?/— 92 Гипотеза справедлива? я, мм/тыс. км Л,мм 5' 1'«

1996 контроль ная группа т(1) -0,074 31,5 160 0,21 0,48 5,42 1,96 нет о(1) 0,0093 0,9

1996 с АГС-8 т(1) -0,061 38,1 128 0, а(1) 0,0085 0,7

1997 контроль ная группа т(1) -0,044 31,3 160 0,18 0,42 4,54 1.96 нет а(1) 0,0045 0,8

1997 с АГС-8 т(1) -0,034 32,4 112 0, о(1) 0,042 0,5

С ростом наработки / увеличивается вероятность того, что значение толщины гребня бандажа выйдет за пределы установленного допуска. Выход контролируемого параметра за установленный допуск классифицируется как отказ детали, износ которой он характеризует. Таким образом, с увеличением пробега / возрастает вероятность отказа О. Наработка, при которой вероятность безотказной работы детали равна заданному значению Т =(1-0) 100%, называется гамма-процентным ресурсом^ . I при фиксированной наработке /( будет определяться как:

•^НОМ где хном -номинальное значение контролируемого параметра. Для уменьшающегося контролируемого параметра, каковым является толщина гребня, вероятность отказа определяется:

I, тыс. км.

Рис.6. Функции распределения ресурса до обточки по татщне гребня в депо Бекасою в 1996 го^

Ц тыс. км

Рис.7. Функции распределения ресурса бандажей колесных пар до обточки по толщине гребня в депо Бекасово в 1997 году 1-6« АТС; 2-е АТС

Анализ полученных результатов показывает, что использование гребнесмазывателей позволяет в среднем в 1,5 раза, а применение нового профиля бандажа ДметИ- в 2 раза увеличить пробег колесных пар до обточки из-за износа гребня. В процессе эксплуатации выявлены недостатки в их работе. Поэтому необходимо усовершенствовать конструкцию гребнесмазывателей и технологию нанесения смазки, а также разработать методы измерения эффективности нанесения смазки и определения оптимального количества смазки в зависимости от эксплуатационных условий.

Одним из недостатков локомотивных гребнесмазывателей является недостаточная надежность работы форсунок и подачи смазки (закупоривание и изгиб форсунок, проблемы с заправкой бака и подачей смазки из трубопровода). Кроме того, отмечены случаи отключения локомотивными бригадами гребнесмазывателей во время движения, загрязнения рамы локомотивов.

С мая 1996г. на участках Бекасово-Москва и Малоярославец-Бекасово производится смазывание боковой поверхности рельсов, взаимодействующих с гребнями колес подвижного состава в кривых участках пути нанесением антиизносных графитизированных смазочных покрытий текучей консистенции. Смазывание рельсов осуществляется с помощью установленных на электровозах ВЛ10У специальных навесных модулей конструкции Всероссийского научно-исследовательского тепловозного института (ВНИТИ).

В депо Бекасово рельсосмазывателями оборудованы два электровоза ВЛ10М024 (введен в эксплуатацию с 14.05.96 г.) и ВЛ10У-593 (с 28.07.96 г.). Электровозы работают по установленному графику два раза в сутки. Расход смазки на один локомотив составляет 90 л в сутки. Состав смазки: бензин А-76 и графитовый наполнитель РС6 в соотношении 35 л бензина на 10 кг наполнителя.

В процессе эксплуатации рельсосмазывателей в депо Бекасово был проведен ряд испытаний. Так на перегонах Нара - Латышская и Селятино - Апрелевка проводились оценка трибологических показателей и стойкости смазки в месте взаимодействия гребней колес и боковой грани рельса с помощью прибора «Трибометр». Фиксировалось изменение коэффициента трения в зависимости от количества пройденных осей за период от одного до другого прохода локомотива с рельсосмазывателем, что по времени составило 12 ч. Результаты замеров отражены на рис.8.

Ш рельс не смазан ——Полиномиальный (Ряд1) количество пройденных осей

Рис.8. Зависимость среднего значения коэффициента трения гребня колеса со смазанной боковой гранью рельса в кривых 14=300-400 м.

Как показали исследования коэффициент трения на боковой грани «сухого» рельса в кривых составляет 0,32-0,35. После нанесения рельсосмазывателем смазки РС6 в зоне контакта гребней колес с боковой гранью рельса коэффициент трения становится равным 0,06-0,08 и остается таким до проход 1000-1200 осей. Затем коэффициент трения постепенно повышается и после прохода 4000-4500 осей достигает 0,13-0,15 в кривых радиусом 500-600 м. В кривых малого радиуса (300-400 м) после прохода 4500 осей работоспособность смазки резко снижается, коэффициент трения после прохода 5000 осей возрастает до 0,3-0,32. При этом установлено наличие металлической пыли, а затем и "стружки" от рельсов. На основании этого можно сделать вывод, что повторное смазывание рельсов должно осуществляться в кривых участках после прохода в среднем 4000 осей. При регулярном (два раза в сутки) проходе рельсосмазывателя по закрепленным участкам коэффициент трения на боковой грани рельса выше 0,13-0,15 не поднимается.

Для оценки эффективности влияния рельсосмазывания на снижение интенсивности износа гребней проводился сравнительный регрессионный анализ на примере опытной и контрольной групп колесных пар электровозов ЧС7, эксплуатируемых на участке Москва-Сухиничи. В качестве контрольной использована выборка замеров толщины гребней электровозов ЧС7, полученная в 1991 г., когда на этом участке еще не применялось рельсосмазывание. Результаты расчетов приведены на рис.9.

2) щ,(и=-0.00261>31. тыс. км

Рис.9. Зависимости от пробега средних значений толшины гребней колесных пар электровозов ЧС7 депо Москва-Киевская. 1)-контрольная группа; 2)-опьгтная (с рельсосмазыванием)

Ц тыс. км

Рис. 10. Функции распределения ресурса бандажей колесных пар до обточки по толщине гребня электровозов ЧС7 депо Москва-Киевская

Полученные результаты (рис.9,10), свидетельствуют о том, что применение рельсосмазывания позволяет наиболее эффективно решать проблему износа гребней колесных пар. В сочетании с профилем ДМетИ интенсивность износа гребней в этом случае снижается более чем в пять раз.

Так же были выполнены замеры продольного напряжения растяжения или сжатия хвостовика автосцепки электровоза, следующего во главе поезда на смазанных и несмазанных участках пути (табл. .3).

Таблица 3.

Результаты замеров напряжений о на хвостовике автосцепки на смазанных и не смазанных участках пути при различных значениях скоростидвижения V и тока тяговых двигателей I электровоза во главе поезда весом 4900-5000тонн.

На Сухиничи (смазано) На Вязьму (не смазано)

07.12.9б| 09.12.96 113.12.96 10.12.96 | 11.12.96 | 12.12.

Спуск

Ш800; 1/100 %. 1*948; 1/165 %о

V, км/ч 60 50-60 60 70 70-75 55п, кг/см2 -13 4 -156

Площадка

1*948; 0 %. 11948; 0 %о

I, А 0 0 0 0-350 350

V, км/ч 55 30-27 55-52 55 30т, кг/см2 -100 -22 -122 0 174 122-(-61)

Площадка

1*593; 0 %. 1*663; 0 %о

1,А 300-250 250

V, км/ч 45-60 55-63 55-52 67 65-70 60я, кг/см2 43 113

Подъём

11707; 1/195 %. 1*525-710; 1/522 %о

I, А - 0-200 200 400 350

V, км/ч - 75 75 55 65 52о, кг/см2 — 113 70 при 1*710 /

Подъём

1*853; 1/700 %. 1*830; 1/355 %.

1,А 200-230 200 200 400

V, км/ч 70-65 75 60 70 65 52п, кг/см2 129 109 52

Полученные результаты свидетельствуют, что работа рельсосмазывателей дает существенный положительный эффект. Прежде всего, их применение позволило резко снизить количество обточек колесных пар по причине износа гребней, что свидетельствует об увеличении ресурса бандажей. Так, во втором полугодии 1995 г. обточены 383 колесные пары по этой причине, в 1996 г. -160. Такое снижение позволило сберечь 58,2 млн. руб. В 1997 г. количество обточенных по причине износа гребней колесных пар сократилось еще на 64 что дало экономию более 15 млн. руб.

Кроме того, в результате нанесения смазки на рельсы достигнута существенная экономия электроэнергии на тягу поездов, которая в денежном выражении составила во втором полугодии 1996 г. 847,2 млн. руб., а в 1997г. - более 3 млрд. руб. Этот эффект получен, прежде всего, благодаря уменьшению на 4-8% сопротивления движению поезда на участках пути, где была нанесена смазка. »

Существенным недостатком в работе рельсосмазывателя является использование в качестве растворителя бензина. Это обуславливает повышенные требования к противопожарной безопасности как при эксплуатации локомотива, так и при подготовке смазки. Для повышения надежности работы рельсосмазывателей требуется их периодический осмотр и заправка. Устройства должны устойчиво работать в условиях низких температур (до -35°) и повышенных вибраций. Расположение каждой форсунки над заданным местом нанесения смазки на головку рельса обеспечивается с помощью компенсационных цилиндров, которые заставляют гребни направляющих колес форсунки плотно прижиматься к рельсу во время смазывания. Эта особенность в сочетании с контролем за дозируемой подачей смазки позволяет наносить равномерную полосу смазки на рабочую грань головки рельса.

III. Теоретические и экспериментальные исследования влияния положения колесных пар в раме тележки электровоза ВЛ10уна износ гребней колесных пар

На некоторых электровозах депо Бекасово (примерно 10% эксплуатационного парка) продолжает наблюдаться интенсивный износ гребней отдельных колесных пар, несмотря на применяемые меры, о которых шла речь выше. При обмерах расположения колес в раме тележки этих электровозов специально созданным мерным относительным шаблоном на нивелированном пути в цехе ТР-1 электровозов были обнаружены:

- поперечное смещение (до 7 мм) сильно изношенных колесных пар;

- перекос колесной пары относительно рамы тележки;

- разница диаметров левого и правого колес.

В локомотивном депо Бекасово была разработана технология устранения перекоса и смещения колесной пары с наименьшими затратами путем замены буксовых поводков на вновь отремонтированные или, в случае их пригодности, переноса поводков с одной стороны на другую. Причиной износа поводков, который приводит к интенсивному износу бандажей, является неравномерная жесткость пружин и резиновых втулок. Одновременно с этим в депо был ужесточен контроль за разницей диаметров колесных пар электровозов.

Для решения этой задачи необходимо было изучить процессы, которые происходят при взаимодействии пути и электровоза со сдвинутыми и перекошенными в раме тележки колесными парами и колесами разного диаметра. По методике, разработанной в Брянском государственном техническом университете, было выполнено моделирование на ЭВМ возмущенного движения электровоза ВЛ10У в прямых и кривых участках пути. В результате осуществлена оценка показателей горизонтальной динамики: ускорений рамы локомотива (над первой осью), рамных сил, а также направляющих сил, углов набегания тележек и колесных пар на путь при движении в кривых. Значения этих параметров позволяют прогнозировать износ гребней колес при движении в кривых. Исходными данными для расчета были приняты: максимальные амплитуды неровностей левой и правой нитей до 10 мм; длина прямого участка пути - 300 м; кривые участки пути двух радиусов - 470 и 650 м (кривые правосторонние; возвышение наружного рельса соответственно 110 и 140 мм). Кривая радиусом 470 м - наиболее крутая на участке Москва - Сухиничи, радиусом 650 м -часто встречающаяся на этом же участке.

Смещение (сдвиг) задавалось для третьей колесной пары в диапазоне Д= ± 10 мм. Выбор колесной пары предопределялся тем, что в депо Бекасово на третьей колесной паре одного из электровозов было обнаружено наибольшее смещение. Пробные расчеты были проведены и при смещении первой колесной пары, существенной разницы в динамике электровоза в этих двух вариантах не обнаружено.

На первом этапе изучалось квазистатическое движение электровоза в прямых и кривых участках пути, т.е. путь принимался идеальным, без неровностей. Такой подход позволил более наглядно оценить смещение колесной пары на положение тележки в рельсовой колее.

При сдвиге третьей колесной пары менее чем на 7 мм устойчивое движение экипажа в прямой (при скоростях до 100 км/ч), колебания первой тележки отсутствуют, а колебания второй носят затухающий характер, набегания колесных пар на рельсы не происходит. При сдвиге более 7 мм наблюдается перекос рамы тележки в сторону, противоположную смещению колесной пары, при этом и третья и четвертая колесные пары движутся с постоянным набеганием на рельс.

При движении в кривой влияние сдвига проявляется в меньшей степени, однако, при смещении Д= 7-10 мм наблюдается незначительное увеличение угла набегания второй тележки и колесных пар. При скорости движения 72 км/ч в кривой радиусом 470 м изменяется и установка тележки: от свободной (у исходного варианта) к хордовой.

При движении локомотива по прямому пути со случайными неровностями сдвиг третьей колесной пары приводит к заметному увеличению динамических показателей при сдвиге Д=7-10,мм, при меньшем сдвиге Д= 2-4 мм наблюдается даже незначительное уменьшение рамных и направляющих сил на третьей оси. Качественные изменения поперечных ускорений кузова (над четвертой колесной парой) проявляются при сдвиге Д= 10 мм: появляется выраженная частота 7-8 Гц, в то время, как в исходном варианте преобладает низкая частота 1-1,5Гц. Существенные изменения наблюд&ются в характере действия направляющих сил, особенно на четвертой оси (рис. 11).

Рис.11. Направляющие силы электровоза при сдвиге третьей колесной пары, V = 100 км/ч; а - исходный вариант, б - сдвиг 10 мм Ось X - время воздействия; Ось У - направляющая сила.

В исходном варианте колесные пары как первой, так и второй тележки при вилянии время от времени набегают гребнями колес на рельсы. При этом возникают направляющие силы, которые значительно больше на первых осях тележек. Взаимодействие с левым и правым рельсами симметрично (см. рис. 11а). С увеличением сдвига третьей колесной пары (в данном случае - к правому по ходу движения рельсу) происходит постепенное увеличение частоты и времени касания колесной парой левого рельса. Четвертая колесная пара даже при небольшом сдвиге (А= 2-4 мм) взаимодействует только с левым рельсом, а при сдвиге больше 7 мм появляется квазистатическая составляющая, что хорошо видно на рис.Иб. При моделировании на ЭВМ было определено время контакта гребней колес с левым и правым рельсами на участке длиной 300 м в зависимости от сдвига и скорости движения. Результаты этих расчетов приведены на рис.12. Как видно из рис.12, существенное увеличение времени контакта третьей колесной пары с левым рельсом происходит при сдвиге ее на 10 мм, а четвертой колесной пары - при сдвиге 7 мм при этом наблюдается одностороннее набегание.

Анализ сил крипа в точках контакта колес второй тележки с рельсами показал, что при Д> 7 мм продольные силы крипа создают момент, а поперечные силы - поперечную составляющую, которые и вызывают описанные изменения в характере взаимодействия колес с рельсами.

При движении в кривых динамические показатели и характер движения третьей оси мало зависят от величины и знака смещения (она постоянно набегает на наружный рельс), в то время как четвертая ось весьма чувствительна к этим изменениям. Если при нулевом и положительном смещении четвертая колесная пара движется в свободной установке, не касаясь жребиями колес рельсов, то при Д > -4 мм она начинает набегать на левый (наружный) рельс и при Д = -7, -10 мм она движется с постоянным набеганием.

Следовательно, поперечное смещение одной из колесных пар электровоза ВЛЮ* на величину свыше 4 мм приводит к заметному ухудшению динамических качеств локомотива в горизонтальной плоскости, а главное, к появлению одностороннего набегания колесных пар тележки, в которой имеется сдвинутая колесная пара, в прямых участках пути, что непременно приводит к повышенному износу гребней.

Геометрическое несоответствие идеальной установки колесных пар в раме двухосной тележки электровоза может выражаться не только в поперечном сдвиге, но и в перекосе колесных пар, вызванном неточностью их установки при первоначальной сборке на заводе-изготовителе или ремонтном предприятии, а также за счет остаточных деформаций упругих элементов поводков в эксплуатации.

Для оценки этого вида отклонений геометрии установки колесных пар в тележке на динамические качества и показатели, характеризующие износ гребней колесных пар, моделировалось движение электровоза в прямых и кривых участках пути с перекошенной третьей колесной парой. Для анализа было рассмотрено четыре варианта установки колесной пары с углом перекоса (поворота) У равным 0°, 0,25°,0,5° и 0,8°что соответствует продольному перемещению ее букс относительно рамы тележки на 0; 4,7; 9,3 и 15 мм. Исследования были выполнены для таких же режимов движения электровозов, что и при анализе поперечного смещения третьей колесной пары. Компьютерное «осциллографирование» движения тележки с перекошенной колесной парой в прямом участке пути выявило картину, аналогичную той, которая получилась и при сдвиге колесной пары: тележка прижимается обеими колесными парами к рельсу, в сторону которого задан перекос. Даже при самом малом из рассмотренных перекосов (У= 0,25°) и относительно небольшой скорости движения (V = 72 км/ч) колесные пары второй тележки движутся с постоянным набеганием на правый рельс (рис. 13). т-т-:!:1:;: • ^ • г 7- —

Т 3 ос). Нок |.!.;■■■■!■■■• 4 ось"

Рис.13. Направляющие силы электровоза при перекосе третьей колесной пары, V = 72 км/ч; а - исходный вариант, б - перекос 0,25° Ось X - впемя воздействия

При этом третья ось воздействует на путь с заметной квазистатической силой - около 35 кН при максимуме 65-70 кН. На четвертой оси также появляется квазистатическая сила, но она значительно меньше.

Следует отметить, что на третьей колесной паре квазистатическая направляющая сила при изменении угла перекоса Тот 0 до 0,25е резко возрастает, а в диапазоне от 0,25° до 0,8° изменяется незначительно. На четвертой оси направляющая сила с ростом угла перекоса от

0,25° до 0,8° постепенно уменьшается. При угле 0,8е тележка устанавливается в положение наибольшего перекоса, и четвертая колесная пара набегает на противоположный (левый) рельс. На уровень максимальных поперечных ускорений кузова рассмотренный перекос практически не влияет, изменяется частотный состав ускорений в сторону увеличения частоты колебаний.

В кривых участках пути характер движения тележки и воздействие на путь колесных пар определяется знаком и величиной угла перекоса. При положительном повороте третьей колесной пары (в сторону наружного рельса) она постоянно набегает на наружный рельс. При скорости движения V > 70 км/ч направляющие силы растут с увеличением угла перекоса. При выходе из кривой эта колесная пара по-прежнему набегает на этот же рельс, это хорошо видно на рис.13. При отрицательном (в сторону внутреннего рельса) перекосе Ч'< 0,5° третья колесная пара по-прежнему набегает на наружный рельс, а при ¥20,5° - на внутренний рельс.

Четвертая колесная пара при углах поворота от -0,25° до + 0,8° движется в зазоре колеи и только при ¥< 0,5°, как и третья колесная пара, набегает на внутренний рельс. При выходе из кривого участка пути четвертая колесная пара начинает постоянно набегать на один из рельсов (рис.13).

Анализ сил крипа в точках контакта колес с рельсами для тележки с перекошенной колесной парой выявил такую же катину, как и в случае с поперечным смещением, только в более выраженном виде по отношению к поперечной силе крипа. Она имеет значительную величину квазистатической составляющей на перекошенной колесной паре, прижимающей эту пару к одному из рельсов.

Учитывая то, что перекос одной из колесных пар вызывает крайне неблагоприятную установку тележки в прямом участке пути, была рассмотрена задача определения максимально допустимого угла перекоса колесной пары, при котором отсутствует квазистатическая составляющая направляющих сил набегающих на рельс колесных пар. Для этой цели был проведен цикл расчетов с углом перекоса третьей колесной пары К 0,1 что соответствует продольному перемещению букс до 2 мм. Оказалось, что при данной величине перекоса колесные пары хотя и колеблются с набеганием на один из рельсов, однако квазистатическая составляющая направляющей силы отсутствует. Таким образом, угол перекоса 0,1° можно считать вполне допустимым пря эксплуатации электровозов серия ВЛЮ".

Исследование влияния отклонения диаметра одного из колес от номинального для электровоза ВЛ10У проводилось для прямого участка пути длиной 500 м и для кривой радиусом 650 м, как наиболее характерной для полигона эксплуатации электровоза.

Отклонение диаметра ДО колеса от номинального размера (уменьшение) задавалось на первой колесной пара (левое колесо). Рассмотрены были следующие варианты изменения ДР= 0; 3; 6 мм. Оценка динамических качеств производилась по ускорениям кузова и показателям, характеризующим износ гребней: углам набегания, направляющим силам и силам крипа.

В прямых участках пути уменьшение диаметра колеса приводит к постепенному увеличению количества и времени контактов первой колесной пары с левым рельсом (рис. 14).

Рис.14. Направляющие силы электровоза при разнице в диаметрах колес ДО первой колесной пары;У = 100 км/ч; а - исходный вариант, б - ДО = 6мм. Ось X - время воздействия; Ось У - направляющая сила.

Углы набегания (виляния) колесных пар рамы тележки, направляющие силы и ускорения кузова возрастают незначительно (на 5-10%) при ДО = 6 мм. В отличие от смещения и перекоса изменение диаметра колеса первой колесной пары практически не влияет на характер движения и динамические показатели второй колесной пары.

Разница в диаметрах колес колесной пары вызывает так же, как и при ее сдвиге и перекосе качественные и количественные изменения сил крипа. Однако есть и определенные отличия: квазистатическая составляющая продольной силы крипа возникает только на колесе с большим диаметром.

При движении в кривой изменение ДО в пределах ± 6 мм не приводит к заметным изменениям направляющих сил и углов набегания. Если колесо с большим диаметром катится по наружному рельсу, то квазистатических продольных сил крипа не возникает. Таким образом, разница диаметров колес одной колесной пары изменяет характер движения ее в прямых участках пути, способствуя ее одностороннему набеганию, которое в свою очередь, вызывает односторонний износ гребней колес. Из проведенного анализа следует, что при эксплуатации электровоза не следует допускать разницу диаметров колес одной колесной пары более 2-3 мм.

Реализация в условиях локомотивного депо Бекасово мероприятий по снижению интенсивности износа гребней колесных пар: выбор оптимального профиля бандажа колесной пары; применение рельсосмазывания на кривых участках пути; обеспечение

-----V -' • цд Е^г-Д! и.-.-]. - »4 .Л-.,-.- ; .!. .]. .!.

Ш±ЁЕЕЕ

•Н-4-Н.I.ь-1.-! симметричного расположения колесных пар относительно рамы тележки позволили существенно увеличить ресурс бандажей колесных пар а) б)

Рис.15. Диаграммы изменения технического состояния (а) и числа обточек (б) бандажей колесных пар электровозов ВЛ10У в 1995-98г.г.

Анализ изменения интенсивности износа гребней. (Рис. 15(а)) и количества обточек бандажей колесных пар (рис. 15(6)) в 1995-98г. г свидетельствует о существенном улучшении технического состояния колесных пар электровозов в локомотивном депо Бекасово, что позволило значительно сократить эксплуатационные затраты на техническое обслуживание, снизить расход электроэнергии на тягу поездов.