автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Прогнозирование сцепных свойств электровозов с учетом особенностей районов эксплуатации



МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

КОНДРАТЕНКО Сергей Александрович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОВОЗОВ С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ РАЙОНОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Ю.М. Лужнов

Научный консультант заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Ю.А. Евдокимов

На правах рукописи УДК 625.143

Ростов-на-Дону 1999

n

с

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ...... ................ ... 6

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ......... 8

1.1. Особенности формирования сил сцепления колес

железнодорожного подвижного состава с рельсами ... 8 I.E. Анализ факторов, определяющих реальные условия

реализации сцепных качеств локомотивов ....... 12

1.3. Особенности исследований в области физико-химических и фрикционных свойств поверхностных слоев загрязнений бандажей колесных пар подвижного состава и рельсов ..... ...... . 18

1.4. Постановка задачи исследования........... 21

2. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ В ОБЛАСТИ КОНТАКТА КОЛЕСА И РЕЛЬСА

С ПОЗИЦИЙ МЕХАНИКИ СЦЕПЛЕНИЯ ........ ....... 24

2.1. Закономерности течения жидкости в зоне контакта сопряженных тел при граничной смазке ........ 24

2.2. Анализ влияния структурно-реологических характеристик поверхностных слоев загрязнений

колес и рельсов на сцепные свойства локомотивов ... 32

2.3. Механизм прогнозирования фрикционных характеристик

е области контакта колеса и рельса ......... 39

2.4. Преобразование зависимостей расчетного коэффициента сцепления электровозов от скорости ...... ... 44

2.5. Основные еыводы по разделу ...... ....... 48

3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ФРИКЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

В ОБЛАСТИ КОНТАКТА КОЛЕСА ЛОКОМОТИВА И РЕЛЬСА ...... 50

3.1. Анализ елияния сезонных изменений фрикционных свойств пути на эксплуатационную надежность локомотивов ..... ....... ........ 50

3.2. Разработка принципов районирование участков железных дорог по сходным фрикционным характеристика,! .... 61

3.2.1. Районирование участков дорог по сходным величина,! поверхностного увлажнения рельсов ......... 61

3.2.2. Районирование участков железных дорог по сходным фрикционным свойствам рельсоЕого пути ....... 67

3.3. Определение границ районов Северо-Кавказской железной дороги по величинам фрикционных характеристик участков пути ..... ........ 78

3.4. Уточнение механизма прогнозирования сезонных изменений фрикционных свойств пути на основе анализа особенностей выпадения атмосферных

осадков в различных районах эксплуатации ...... 83

3.4.1. Характер статистической информации об особенностях выпадения атмосферных осадков в различных районах эксплуатации................... 83

3.4.2. Уточнение механизма прогнозирования сезонных изменений фрикционных свойств пути. Уточнение карты-схемы, отражающей фрикционные свойства рельсового пути для различных участков железных

дорог Российской Федерации ..... ....... 99

3.5. Основные выводы по разделу.................107

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФРИКЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

В ОБЛАСТИ КОНТАКТА КОЛЕСА ЭЛЕКТРОВОЗА И РЕЛЬСА ...... 110

4.1. Основные особенности методики проведения натурных экспериментов по исследованию сцепных качеств электровозов в зависимости от свойств контактирующих поверхностей колеса и рельса . . . . .110

4*2. Основные результаты натурных испытаний......."114

4.3. Разработка устройства для непрерывного контроля степени поверхностного увлажнения рельса . . . . . .117

4.4. Физическое моделирование процессов "трения-сцепления" при трогании электровоза с места ..... 124

4.4.1. Определение параметров, характеризующих

изучаемый процесс ........ ........ 124

4.4.2. Вывод критериев подобия . . ...... ..... 125

4.4.3. Результаты исследования на физической модели коэффициента сцепления электровоза

при трогании с места............... 131

4.5. Разработка способа определения коэффициента сцепления колеса локомотива с рельсом на основе бесконтактного считывания информации ........ 137

4.6. Основные выводы по разделу .............143

5. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ

С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ РЕАЛИЗАЦИИ ИХ СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ ... 145 5.1. Методика посезонной корректировки весовых норм

грузовых поездоЕ..................145

5.1.1. Общие положения ................ . 145

5.1.2. Подготовка статистической информации по данным метеорологических наблюдений рассматриваемого

района эксплуатации ...... .......... 145

5.1.3. Таблица разброса расчетных значений коэффициента сцепления ф0 ................... 147

5.1.4. Вероятностная оценка суммарного Еремени реализации устойчивых областей расчетных

значений коэффициентов сцепления (Ф'о)р ■ ..... 149

5.1.5. Построение функции распределения расчетных

значений коэффициента сцепления .......... 150

5.1.6. Определение возможностей посезонной корректировки

весовых норм грузовых поездое.......... . 151

5.1.7. Расчет скорректированных сезонных Бесовых норм

грузовых поездов ................. 153

5.2. Определение целесообразности проведения посезонной корректировки весовых норм на одном из направлений Северо-Кавказской железной дороги ...... .... 155

5.3. Разработка рационального графика проведения опытных поездок при проверке весовых норм

грузовых поездоЕ по СКДД ...... ........ 166

5.4. Анализ корректности методики экспериментально-теоретического прогнозирования сцепных свойств 'грузовых магистральных электровозов ......... 168

5.4.1. Тягово-эксплуатационные испытания электровозов . . 168

5.4.1.1. Испытания электровоза ВЛ8 на участке Туапсе-Белореченская-Туапсе .... ...... 169

5.4.1.2. Испытания электровоза ВЛ8 на участке Белореченская-Туапсе . ............. 178

5.4.1.3. Испытания электровоза ВЛ8 на участке Туапсе-Горячий Ключ ..............183

5.4.1.4. Испытания электровоза ВЛ60 на участке

Махачкала-Дербент . . ...... ....... 186

5.4.2. Сравнение результатов экспериментально-теоретического прогнозирования с данными

натурных испытаний электровозов ........ .190

5.5. Основные выеоды по разделу ............ . 198

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................... . 200

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............. 204

ПРИЛОЖЕНИЯ ........................ 211

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на продолжающийся спад экономики России, на железнодорожном транспорте продолжают изыскиваться рациональные технологии перевозочного процесса, обеспечивающие устойчивое финансовое положение отечественных железных дорог. Негативным фактором, замедляющим практическую реализацию этих технологий, является ухудшающееся техническое состояние тягового подвижного состава.

Локомотивные депо в настоящее время вынуждены эксплуатировать морально и физически устаревшие локомотивы, к числу которых следует отнести свыше 35 % электровозов и 25 % тепловозов. Катастрофически выросли цены на заводской ремонт, в связи с чем имеет место неудовлетворение потребностей в ремонте тягового подвижного состава, его узлов и агрегатов. Вместе с тем, ввиду роста цен, резко сократились и поставки новых локомотивов: например, в 1997 году АО "Новочеркасский электровозостроительный завод" выпустило только четыре новых электровоза.

В этих условиях около 17 % расходов ежегодно идет на поддержание локомотивного хозяйства в работоспособном состоянии. За последние пять лет эксплуатируемый парк локомотивов сократился на 1,5 %. Расходы на текущий ремонт электровозов также существенно превышают прирост парка в эксплуатации и составляют 33 % при увеличении последнего лишь на 3,5 %.

С целью продления срока службы локомотивов, обеспечения их работоспособности и всесторонней адаптации к изменяющимся объемам перевозок большую актуальность приобретают рациональные методы эксплуатации, обслуживания, ремонта и модернизации тягового подвижного состава.

Введение на ряде дорог сезонных норм массы поезда по результатам периодически проводимых тяговых испытаний не всегда приводит к желаемым результатам. Продолжают оставаться случаи повышенного расхода энергии и интенсивного износа колес и рельсов. Не всегда реализуется устойчивое сцепление колес локомоти-вое с рельсами, для его поддержания требуется большой расход песка.

Сложность изучения вопросов прогнозирования сцепных сеойсте электровозов обусловлена в значительной степени еще и тем, что в настоящее время наметились перспективные способы гребнесмазьша-ния, основанные на использовании эффекта пленкообразования. При этом практически остается без внимания вопрос влияния погодных условий. В связи с этим представляется актуальным изучить фрикционные характеристики тяжелонагруженной трибосистемы "колесо-рельс" с учетом погодно-климатических факторов.

В данной диссертационной работе представлены результаты экспериментально-теоретических разработок, на основе которых возможно уточнение реальных условий эксплуатации в плане конкретизации влияния комплекса погодно-климатических факторов различных районов эксплуатации на фрикционные характеристики в области контакта колеса локомотива и рельса, а также на сцепные свойства электровозов. Это, в свою очередь, делает возможным разработку научно-обоснованных методов эксплуатации, что обеспечивает повышение надежности и снижение вероятности выхода из строя локомотивов.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Особенности формирования сил сцепления колес железнодорожного подвижного состава с рельсами

Движение качения, связанное с реализацией сил тяги и торможения железнодорожного подвижного состава, базируется на сцеплении колес с рельсами. В основе процесса сцепления лежат фрикционные взаимодействия в области контакта колеса и рельса. Количественную оценку этих взаимодействий определяет коэффициент сцепления колес подвижного состава с рельсами. Как известно, он представляет собой отношение тягового (тормозного) усилия к вертикальной нагрузке, передаваемой от колес на рельсы

Е

где Г - тяговое (тормозное) усилие, Н;

Р - -вертикальная нагрузка от колес на рельсы, Н.

Анализ литературных источников / 1-49 / показывает, что на реализацию локомотивами силы тяги особенно заметно влияют фрикционные свойства контактирующих колес и рельсов, скорость скольжения колес по рельсам, увлажнение контактирующих поверхностей, нагрузка от колеса на рельс, конструктивные особенности локомоти-еое и скорость их движения.

В исследованиями Пуаре, Бете и Боше / 50, 51, 52 / впервые были установлены зависимости коэффициента сцепления от скорости движения. Эти работы показали большой разброс экспериментальных данных.

Механическая и физическая природа сцепления колес с рельсами впервые была выявлена Н.П. Петровым / 1 /. Гипотеза, выдвинутая

им, основана на предположении, что трение качения обусловлено трением скольжения, неизбежно сопровождающим относительное смещение элементов поверхности перекатываемого тела и основания в процессе их контактирования. Для определения коэффициента сцепления автор рекомендовал формулу

€£ - В ф = -- + 0

1 + IV

где в, г - коэффициенты, определяемые в результате обработки зкспериментальных данных;

V - скорость движения поезда.

Расхождение экспериментальных данных Н.П. Петров объяснял тем, что на параметры сс,в,т, входящие б формулу, оказывают влияние давление, шероховатость поверхностей и прочие факторы. Однако, до настоящего времени в практике отечественных тяговых расчетов не используются зависимости коэффициента сцепления подвижного состава от скорости его движения, учитывающие фрикционные особенности взаимодействующих поверхностей бандажей колесных пар и рельсов.

Опыт эксплуатации железных дорог и специальные исследования /26, 37, 53 / показывают, что реализуемые подвижным составом коэффициенты сцепления могут изменяться от 0,45 до 0,15 и значительно отличаться от расчетных. Коэффициенты сцепления, лежащие выше и ниже средних детерминированных значений, считаются не поддающимися какому-либо учету и в расчет при определении Ееса поезда и режима его ведения не берутся. В одних случаях это приводит к недоиспользованию заложенной мощности, а в других - к сбою в движении поездов и выходу из строя узлов локомотивов.

Как показывает анализ литературных источников /6, 9, 17,

54 /, силовые характеристики, определяющие значения коэффициента сцепления, не являются постоянными и во многом зависят от свойсте как подвижного состава, так и рельсового пути. С учетом основных факторов, оказывающих влияние на реализацию тягово-тормозных сил, коэффициент сцепления можно представить в Еиде следующего произведения :

Ф = Фо Т]ек Tío Лдин Лк = Фо(М-) Лек Ло Лдин т}к , где Фо(М-) ~ осноеной коэффициент сцепления, отражающий влияние фрикционных свойств взаимодействующих поверхностей колес и рельсов;

М. - коэффициент статического трения центральной дорожки катания колеса по рельсу;

Пек - коэффициент, учитывающий относительное скольжение колес по рельсам, связанное с перемежающим боксо-ванием и принудительной установкой колес в рельсовой колее;

Но ~ основной коэффициент использования сцепного веса локомотива, учитывающий различие диаметров бандажей колесных пар, неравномерность статической развески по осям и колесам локомотива, устойчивое перераспределение вертикальных нагрузок по осям, вызванное реализацией тягово-тормозных усилий, влияние расхождения характеристик тяговых двигателей и др.; лдин ~ динамический коэффициент использования сцепного веса локомотива, учитывающий периодические изменения вертикальных нагрузок и усилий по осям локомотива;

Лк ~ коэффициент, учитывающий влияние криволинейности участка пути на величину реализуемого тягоеого усилия.

Произведение коэффициентов т]ск 710 Т1дин характеризующее Елияние на степень реализации предельного коэффициента сцепления конструкционных особенностей подвижного состава и рельсового пути, а также режима движения поезда, называют результирующим коэффициентом использования сцепного веса локомотиЕа / 6 /. По данным публикаций / 55-58 / он может принимать значения от 0,65 до 0,98 при достижений максимальных величин в процессе трогания и разгона локомотиЕа. С увеличением скорости движения тяговой единицы возрастает Елияние на сцепление коэффициента использования сцепного Ееса. Это приводит к тому, что у подвижного состава с худшими ходовыми качествами на плохом пути зависимость коэффициента сцепления от скорости имеет круто падающий характер и отвечает более низким абсолютным значениям коэффициента сцепления. При этом наибольшее влияние на разброс значений коэффициента сцепления оказывает скольжение колес относительно рельсов, которое характеризуется коэффициентом цСк /59, 60 /.

В настоящее время наиболее полно изучены факторы, оказывающие влияние на коэффициент использования сцепного веса / 61,62 /, что позволяет в ряде случаев поддерживать его на доеольно еысоком уровне / 63 /.

Для повышения коэффициента использования сцепного Ееса локомотива применяются следующие мероприятия: выравнивание нагрузок и усилий между колесами / 6, 54 /, электрическое / 40 / и механическое / 59, 63 / спаривание колес, подбор характеристик тягоеых двигателей / 59 / и диаметров бандажей колесных пар / 65, 66 /, выбор профиля бандажа колес / 67 /, регулируемое управление пуском локомотивов / 35, 68, 69 /, улучшение состояния рельсового пути / 59 /.

Одним из важнейших параметров, характеризующих фрикционные

свойства узла трения "колесо-рельс"» является основной коэффициент сцепления / 30 /. В настоящее время его свойства еще слабо изучены / 15, 17 /. Поэтому в дальнейшем будем исследовать влияние процессов загрязнения и увлажнения рельсов на величину основного коэффициента сцепления в условиях, когда влияние коэффициента использования сцепного веса на коэффициент сцепления незначительно.

1.2. Анализ факторов, определяющих реальные условия реализации сцепных свойств локомотивов

Произведем количественный анализ факторов, определяющих процессы трения-сцепления в пятне контакта колеса локомотива и рельса.

Оценка тесноты связи между осноеным коэффициентом сцепления Фо и каждым из исследуемых факторов выполняется на основе вычисления непараметрического коэффициента ранговой корреляции Спирме-на. Указанный подход является достаточно универсальным, поскольку позволяет установить количественную зависимость между случайными величинами, подчиняющимися произвольным законам распределения.

При вычислении коэффициента ранговой корреляции каждую из совокупностей располагают в виде вариационного ряда, каждый член которого имеет свой порядковый номер (ранг). Одинаковым значениям ряда присваивают среднее ранговое число, затем находят разность в рангах Ci для каждой пары из п наблюдений над случайными величинами и вычисляют коэффициент ранговой корреляции Спирмена

п

б L az

rs = i--^-. (1.1)

nJ - n

Ранговый коэффициент корреляции может изменяться в пределах от -1 до +1. С увеличением объема выборки величина этого коэффициента приближается к значению генерального коэффици�