автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Снижение интенсивности износа гребней колесных пар электровозов серии ВЛ80 путем улучшения вписывания в кривые малого радиуса

На правах рукописи УДК 629.4.027.43

ДОРОНИН Сергей Владимирович

СНИЖЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗНОСА ГРЕБНЕЙ ОЛЕСНЫХ ПАР ЭЛЕКТРОВОЗОВ СЕРИИ ВЛ80 ПУТЕМ • УЛУЧШЕНИЯ ВПИСЫВАНИЯ В КРИВЫЕ МАЛОГО

РАДИУСА

юциальиость 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог

и тяга поездов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I

Омск, 1997 год

Работа выполнена в Дальневосточном государственном университете плчп сообщения.

Научный руководитель

канд. техн. наук, профессор Виктор Григорьевич Григоренко

Официальные оппоненты.

доктор техн. наук, профессор Владимир Николаевич Лисунов; канд. техн. наук, профессор Юрий Петрович Федосеев

Ведущее предприятие

Защита диссертации состоится

Дальневосточная железная дорога

1997 год

в 9 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 114.06.01 Омско государственной академии путей сообщения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГАПС.

Автореферат разослан'

«V

1997 года.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах., заверенные печатью, проси] высылать в адрес диссертационного совета академии: 644046 г. Омск, пр. Маркса 35

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Внедрение в локомотивный парк страны мощных электровозов BJI80 позволило в 80-х годах осуществить переход на новые прогрессивные технологии поездной работы, связанные прежде всего с увеличением длины и массы составов. В результате увеличились показатели пропускной и провозной способностей железных дорог.

Однако, эксплуатация электровозов ВЛ80 на перевальных участках дорог с кривыми малого радиуса показала, что вписывание их в такие кривые с тяжеловесными составами сопряжено с увеличением тенденции к боксованию колес и к повышению интенсивности бокового износа гребней. Наблюдения за условиями работы электровозов ВЛ80 производились на Забайкальской и Дальневосточной железных дорогах.

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

Проведенные в 1988 - 91 годах поездки с динамометрическим вагоном на Читинском отделении ЗабЖД и на участке Смоляниново - Находка ДВЖД свидетельствуют о том, что электровозы в этот период эксплуатировались в интенсивном режиме, граничащим с недопустимым. Отмечались повышенная частота возникновения боксования, срыв сцепления первых по ходу колесных пар, несмотря на интенсивную подсыпку песка под колеса локомотива. Одновременно при прохождении кривых малого радиуса фиксировалось увеличение направляющих усилий, передаваемых рельсом гребню набегающего колеса; что нашло отражение в резком увеличении бокового износа головок наружных рельсов и гребней колесный пар подвижного состава.

Ухудшение состояния пути и бандажей колес локомотивов привело к значительному осложнению организации эксплуатационной работы ДВЖД и ЗабЖД. увеличению расходов на ремонт и содержание пути и локомотивного парка. С аналогичными проблемами столкнулись и другие железные дороги страны, имеющие участки с кривыми малого радиуса. К решению проблемы были привлечены практически все научные коллективы системы МПС.

В 1989 году в ХабИИЖТе под руководством профессора В.Г. Григоренко были начаты многосторонние исследования причин повышенного бокового износа рельсов и гребней колес подвижного состава в кривых.

Цель работы состоит в установлении причинно - следственных связей между изменениями параметров поездной работы локомотивов и интенсивностью бокового износа рельсов и гребней колес электровозов В Л 80 в кривых малого радиуса.

Для достижения цели решались задачи: проведение анализа существующих методов кинематического и динамического вписывания локомотивов в кривые: исследование динамики разворота двухосных локомотивных тележек при переходе из хордового положения в перекосное; установление влияния изношенности гребней колес и боковой поверхности головок рельсов на скорость проскальзывания по рельсу гребня набегающего колеса; исследование возможности управления интенсивностью бокового износа рельсов и гребней колес за счет перераспределения тяговой нагрузки между колесными парами электровоза ВЛ80, за счет введения дополнительных межтележечных связей и за счет принудительного удерживания тележек в хордовом положении.

С 1987 по 1991 год автор входил в состав исследовательской группы ВНИИЖТа, руководимой старшими научными сотрудниками Басовым Ю.А. и Перцовским МЛ., которая в условиях ДВЖД занималась внедрением системы автоматического управления режимом тяги и рекуперации, защиты от боксования и юза электровозов ВЛ80Р. Цель этой работы - оптимизация

режимов работы электровозов ВЛ80Р с целью повышения их тяговых свойств.

В достижении этой цели решались задачи: участие в разработке системы автоматического управлением режимом тяги и рекуперации электровозов ВЛ80Р, в оборудовании опытной партии электровозов, в проведении тягово-энергетических испытаний; исследование влияния подсыпки песка, как средства предупреждения боксования, на увеличение бокового износа рельсов и гребней колес локомотивов.

Методы исследования - методы аналитической механики описания движения сложных механических систем, численные методы решения систем нелинейных алгебраических уравнений, методы интегрирования дифференциальных уравнений; при проведении экспериментальных исследований использовались методы планирования эксперимента.

Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Создана уточненная математическая модель динамики вписывания,электровоза ВЛ80 в кривые малого радиуса, позволяющая исследовать поведение локомотивных тележек при движении по так™ кривым, установить причинно-следственные связи между параметрами поездной работы локомотивов и интенсивностью бокового износа рельсов и гребней колес; в математической модели впервые учитывалось:

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

• влияние подсыпки песка под колеса для предупреждения боксования, поосно-го регулирования тяговой нагрузки, установки межтележечных поперечных связей, а также влияние устройств, удерживающих тележки в хордовом положении, на величину силы нормального давления гребня колеса на рельс;

• влияние закона изменения угла разворота тележек в рельсовой колее и поос-ного регулирования тяговой нагрузки на скорость упругого проскальзывания по рельсу поверхностей катания колес;

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

2. Обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований показало, что:

• тележки электровоза ВЛ80 при входе в кривую малого радиуса на первых метрах пути устанавливаются в перекосное положение и сохраняют его до выхода из кривой (максимальный угол перекоса равен 0°40'), определяющее влияние на процесс перекашивания тележек оказывают касательные силы на поверхностях катания колес;

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

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

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

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

Практическая ценность. 1. На основании поведенных исследований сделан вывод, что некоторого уменьшения интенсивности износа гребней колес электровоза ВЛ80 и бокового

износа рельсов в кривых малого радиуса можно добиться за счет исключения из эксплуатации локомотивов, у которых угол наклона прямой вставки гребня к оси колесной пары превышает 75° (при норме 70°), а также за счет оборудования локомотивов противобоксовочной системой с электрическими уравнителями, позволяющей значительно уменьшить количества песка для предотвращения боксования. Тягово-энергетические и эксплуатация испытания опытных электровозов ВЛ80, оборудованных такой системой на ДВЖД и ЗабЖД, показали достаточно высокую ее эффективность.

2. Для радикального решения проблемы бокового износа рельсов и гребней колес электровозов BJI80 необходимо предусматривать установку устройства, обеспечивающего принудительное удерживание локомотивных тележек в хордовом положении за счет пары сил. Расчеты показывают что величина момента пары, который должен создаваться таким устройством, в среднем составляет 250 кН м.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на двух совещаниях главных инженеров железных дорог Восточной Сибири и Дальнего Востока (г. Хабаровск, 1995, 1996 гг.), на четырех научно-технических конференциях кафедр ДВГАПС (г. Хабаровск, 1989, 1991, 1993, 1995 гг.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электровозостроения в стране" (г. Новочеркасск, 1991г.), на Дальневосточной научно-практической конференции "Проблемы транспорта Дальнего Востока" (г. Владивосток, 1995 г.), на VI Международной научно-технической конференции "Проблемы развития локомотивостроения" (г. Москва, 1996 г.), решение VI международной конференции представлено в ПРИЛОЖЕНИИ 1.

Система автоматического управления режимом тяги и рекуперации электровозов ВЛ80 экспонировалась на Выставке достижений народного хозяйства СССР (Москва, 1990 г), за участие в разработке этой системы автор был награ-

жден серебряной медалью ВДНХ (постановление ГВК ВНДХ СССР ШЗО-Н от 12.12.1990 г.). Получено авторское свидетельство N1686648 на устройство для управления вентилями плеча преобразователя.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 печатных работах и в четырех научно-исследовательских отчетах.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка, содержит 130 страниц машинописного текста, 7 таблиц, 33 рисунка, 6 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена обзору литературных источников. На основании анализа существующего уровня проработки вопроса сформулированы следующие задачи:

1. создать уточненную математическую модель динамики вписывания электровоза ВЛ80 в кривые малого радиуса, позволяющую исследовать поведение локомотивных тележек при прохождении таких кривых, установить причинно-следственные связи между параметрами поездной работы локомотивов и интенсивностью бокового износа рельсов и гребней колес;

2. выполнить качественный и численный анализ математической модели с целью определения доминирующих факторов, изменяя величину которых можно добиться снижения интенсивности бокового износа рельсов и гребней колес электровоза ВЛ80;

3. подтвердить экспериментально результаты теоретического исследования;

4. сформулировать практические рекомендации для уменьшения бокового износа рельсов и гребней колес электровозов ВЛ80 при прохождении кривых малого радиуса.

Во второй главе изложена методика получения расчетных зависимостей, образующих в совокупности математическую модель вписывания электровоза

ВЛ80 в кривые, соответствующую поставленным задачам.

Введен динамический критерий бокового износа, который при постоянной скорости локомотива определяется формулой:

К = МГУГ,

где !\г - сила нормального давления на рельс гребня набегающего колеса, Уг - ' скорость проскальзывания гребня по боковой поверхности рельса.

Сила !\'г зависит от многих факторов, а именно: от скорости локомотива; от радиуса кривой, ширины рельсовой колеи, продольного и поперечного наклона пути; от параметров упругого проскальзывания по рельсу поверхностей катания колес; от подсыпки песка под колеса; от геометрических, массовых и динамических параметров электровоза ВЛ80; от поосного регулирования тяговой нагрузки; от величины силы в поперечной межтележечной связи; от величины момента сил в механизме принудительного удерживания тележек электровоза в хордовом положении. Влияние всех этих факторов последовательно рассмотрено и оценено. ,

Вначале был проведен уточненный анализ сил, действующих на кузов секции локомотива, расчетные схемы кузова представлены на рис. 1. Здесь линия I -1 и точка в - проекции на плоскость рельсовой колеи ОХУ осевой линии пути и ее центра кривизны. Продольная ось кузова (ось X) занимает хордовое положение в кривой. и С>2 - центры шаровых связей первой и второй тележек с

кузовом; А] и А2 - центры поворота передней и задней автосцепок относительно кузова; Су - центр масс кузова; А.[ и - углы, образованные продольными осями тележек с касательными ц и т2; 1 и 8 - углы продольного и поперечного наклона пути. Р и Рцд - сила тяжести и центробежная сила кузова; 0] и С>2 - продольные силы на автосцепках: С^ = <30 - 1), 02 = <3 где О - сила тяги одной секции, j - номер секции.

Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz - проекции главного вектора и главного момента сип реакций системы люлечного подвешивания, эти проекции представлены в виде линейных комбинаций трех силовых параметров, которые определяются в ходе расчета; Hj и Н2 - радиальные силы в поперечных связях кузова с тележками; W] и W2 - касательные силы в шаровых связях:

Wj = W(x, + yj); W2 = W(x2 + y2), где W - расчетная тяговая нагрузка на одну колесную пару секции; х и у - коэффициенты перераспределения тяговой нагрузки между колесными парами секции, X] + yj + х2 т у2 = 4: m¡ и т2 - моменты пар сил, создаваемых устройством для удержания тележек в хордовом положении. Из указанных сил неизвестными считаются Q, H¡, Н2 и три силовых параметра люлечного подвешивания (см.

выше). Эти неизвестные определяются из шести уравнений кинетостатики для кузова [3].

Датее были найдены проекции главного вектора и главного момента активных сил, действующих на тележки локомотива; три из них а именно FT, Fn и

, показаны на рис. 2. В состав указанных проекщш кроме сил, передающихся на тележку от кузова, включены сила тяжести и центробежная сила тележки, а также реакция в поперечной межтележечной связи.

На рис. 2 цифрами 1, 2, 3, 4 обозначены точки контакта с рельсами поверхностей катания колес. Принято, что на внешний рельс набегает колесо с точкой

контакта 2. N* и F*p- проекции на плоскость рельсовой колеи силы нормального давления гребня на рельс и соответствующей силы трения. FIiH и Месила и момент инерции тележки при ее развороте в рельсовой колее. Силы R¡, R2, R3, R4 на кругах катания колес определялись по методике проф. С.М. Ку-ценко со следующими изменениями: во-первых, при определении скоростей уп-

ругого проскальзывания колес по рельсу учитывались дополнительные составляющие скорости от разворота тележки в рельсовой колее, а также влияние по-осного регулирования тяговой нагрузки; во-вторых вместо коэффициента Кк, определяемого по эмпирической формуле С.М. Куценко, введен коэффициент:

а = Кк /¿-К,

где § - скорость локомотива, N - расчетная нагрузка от колеса на рельс.

-ф

В.,

лу

К'

м.

я.

мт

г

V4 ' 1

п

Ь—■ \ 1

я,.

к,.

| с 1 с

Рис. 2. Расчетная схема тележки электровоза Для электровоза ВЛ80, у которого N = 122 кН, коэффициенты Кк и а соответственно равны 2562,86 кН и 21 / Бс/м. чтобы учесть возможные условия контактирования колеса и рельса, был установлен интервал изменения а:

12/£> <а < 36/Б.

верхняя граница этого интервала соответствует условиям с интенсивным использованием псска, нижняя - попаданию смазки в зону контакта.

Формулы для проекций на оси X и У сил К3, Кд имеют вид:

И1х =аК,[§(пх + 5)-Я.€]; К]у = +сг);

= (хЫ2[$(пх- 4) + ; К2у = с^2$(А. + а);

Л3х =аЫ3[§(пу +4)Я3у = аЫ3[§(л -а) + 2Х.Ц; Я4х + Я4у = аК4 [$(>.-а)+ 2А1].

где п - усредненный коэффициент упругого проскальзывания колес тележки по рельсам, определяемый в ходе расчета, £ = £/ р,а = Ь/ р.

Три уравнения кинетостатики для сил, действующих на тележку, имеют вид: ~ - М*(л + о) + + Я 1х + Я2х + К-Зх + к4х = 0; - - Рп - К^ - ^ (к + о) + Я1у + К2у + ^Зу + *4у + Г™ - 0; ¥т {( + Ь?0 ч- Рп (Ь - Гк) + М^ - РИНЬ - + (Я1х + Я]у )2( - (Я3у + Ы4у )2Ь = 0.

В этих уравнениях неизвестными являются К* - сила нормального давления гребня набегающего колеса на рельс, п - коэффициент упругого проскальзывания и закон изменения угла к во времени.

Третье уравнение системы после исключения членов, содержащих X и л во второй степени и выше принимает вид:

Хк+А1Ц+А2А.к =А3,

где А! = (а / ] к)[- ^ (Ь2 + £2 + ЬЬк + 2 ^ 'к (Ь2 + ЬЬк) - 2дЫ ];

А2 = (1 / лк)[- 4ьк + Е,уЧк + ^ - Б^Ьк - БОка§Ьк + 2д№ка$Ьк - М^]; А з - (1 / J к)[" к + ?пк Ьк - + Ьсг) + 2ДК 'ка§Ька -

1к - момент инерции тележки; дК' - поправка, учитывающая влияние на силу

давления колеса на рельс крутящего момента от тягового двигателя; дМ" - поправка, учитывающая влияние лоперечной силы Рп и момента М,; ¥г - проекция

на ось Ъ главного вектора активных сил, действующих на тележку; к - номер тележки в секции локомотива (1 -для первой, 2 - для второй). Верхним индексом "О" отмечены составляющие сил, не содержащие л, а индексом 'V'" - коэффициенты составляющих, в которые входит к в первой степени.

После интегрирования дифференциального уравнения был получен закон изменения угла перекоса тележки от времени. Затем из первого уравнения системы получено выражение для силы нормального давления гребня колеса на рельс: /

Кгк =(1/шаг){-(Рт°к +Рп+к)лк ~Рп°к -аЙ [р° (Ц + Ьк^Н + 2лЫ к (а - 1кЬ /-г (Рт /8)£Кь};

Коэффициент упругого проскальзывания п определялся из второго уравнения системы (формула приведена в диссертации).

Во второй главе получены также аналитические зависимости для определения скорости проскальзывания гребня набегающего колеса по рельсу и обосновано их использование для различного состояния контактирующих поверхностей, включая износ.

Третья глава диссертации посвящена численному анализу математической модели динамики вписывания локомотивов ВЛ80 в кривые малого радиуса.

Для этого математическая модель была реализована в виде программы для ЭВМ. С помощью этой программы для различных исходных данных было выполнено несколько серий расчетов. Целью первой серии расчетов было определение рациональных режимов поездной работы локомотивов и норм содержания верхнего строения пути. Рациональность определялась по динамическому критерию бокового износа, введенному в предыдущей главе. Производилось варьирование величин: скорости, тяговой нагрузки, динамического коэффици-

ента проскальзывания, возвышения наружного рельса, ширины колеи. Рассматривалось также влияние поосного регулирования тяговой нагрузки на динамический критерий износа.

После анализа результатов первой серии расчетов был сделан следующий вывод: без применения специальных устройств, исключающих разворот тележки в рельсовой колее, кардинально решить проблему бокового износа рельсов и гребней колес в кривых практически невозможно. Частичного уменьшения интенсивности износа можно добиться за счет исключения из эксплуатации локомотивов, у которых угол наклона прямой вставки гребня к оси колесной пары превышает 75° (при норме 70°), и за счет оборудования локомотивов противо-боксовочной системой, позволяющей уменьшить количества песка, подаваемого под колеса локомотива для предотвращения боксования.

Чтобы получить исходные данные для проектирования таких устройств, был выполнен анализ влияния различных силовых составляющих на значение динамического критерия износа, это - вторая серия расчетов, по результатам расчетов построены графики, иллюстрирующие процесс разворота тележки в рельсовой колее (рис. 3).

Прежде всего подчеркнем, что разворот тележки в рельсовой колее при переходе из хордового положения в перекосное есть дополнительное вращательное движение тележки относительно вертикальной оси Ъ, проходящей через центральную шаровую опору кузова. Основное вращательное движение - вращение тележки вокруг оси 2 по часовой стрелке с угловой скоростью со = Б / р, а дополнительное - вращение тележки вокруг оси Ъ против часовой стрелки с угловой скоростью X. Изменение во времени угловой скорости со и (а + л.) тележки

от момента входа в кривую до достижения максимального угла перекоса харак-

*

теризуется первым графиком на рис. 3. Изменение величины Ыг характеризуется вторым графиком на рис. 3.

' 1 !

! ; IV ____,___■-

,/ш 1 1 : ) 1 [

» / ! ! I У ■ '

/ ' 1 1 / 1 !■ ! : . 1 : 1

I 1 / ! ! 1 ( ;

1 II ; 1 ; : : !

1 ' ! Т Т ' ■! ' '1 | ! ! ! 1 : ! 1/1 . .

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 I, с Рис. 3 Процесс перекосного движения тележки

Графики на рис. 3 построены для следующих данных W = 50 кН; S= ¡0 м/с; р = 200м; ЛЬ = 0,015 м; i = 0,028; 2а = 1.535-м; параметры экипажной части электровоза и рельсовой колеи имеют номинальные размеры; в начальный момент принято /. — 0 и к =0. Нулевые начальные условия взяты для того, чтобы можно было использовать полученные результаты при анализе разворота тележки не только на входе в кривую, но и в любом месте кривой в момент отключения устройства, препятствующего развороту тележки. Расчеты для других начальных условий, когда разворот тележки начнется на переходной кривой, говорят о том, что изменение расчетных показателей характерно только для начального этапа: время разворота, максимальный угол разворота и наибольшее *

значение N г в точке IV графика на рис. 3 практически останутся без изменения.

Из второй серии расчетов и графиков на рис. 3 следует, что разворот тележки в рельсовой колее происходит очень быстро. Объясняется это тем, что в начальный момент, когда к = 0 и к - 0 тележка испытывает большое сопротивление вращению вокруг оси Z по часовой стрелке. Это сопротивление характеризуется моментом Mq = J Aj, равным 204,4 кН м, который вызывает угловое ускорение к = -2,19 с"2. Величина момента Мр создается, в основном, касательными силами на кругах катания колес (68% общего вклада), которые невозможно существенно изменить, варьируя параметры поездной работы локомотивов и параметры рельсовой колеи.

Существенно, что с увеличением утла разворота тележки к величина указанного момента очень быстро уменьшается до нуля. Определяющую роль в этом играют дополнительные составляющие касательных сил на поверхностях катания колес, зависящие от к и >.. Поэтому после достижения угла л^,^ процесс перекашивания тележки прекращается, а дальнейшее вращение тележки вокруг вертикальной оси по часовой стрелке происходит с угловой скоростью с> (см.

первый график на рис. 3)

Величина Кг зависит от многих параметров. Выделим четыре составляющие этой силы:

Первая составляющая характеризует влияние на Ы* горизонтальных сил в продольных и поперечных связях кузова с тележкой, вторая и третья составляющие - влияние касательных сил на поверхностях катания колес, зависящих

от^ и дЫ'; четвертая составляющая - главный вектор сил инерции тележки. Численные значения указанных составляющих представлены в табл. 1.

Таблица 1

*

Влияние различных составляющих на величину силы К г

Точка на графике рис. 3 кН * Мг2 . кН N'3, кН кН ¡=1 кН

I -18,3 0 -6,5 69,2 44,4

II -17,8 60,2 -2,2 0 40,2

Ш -15,1 94,8 -5,2 -1,2 73,3

IV -14,2 105,4 -6,3 -0,2 84,7

Из данных табл. 1 видно, что в начале процесса перекашивания тележки величина Ы* определяется, в основном, силами инерции тележки. Но затем доминирующим фактором становится касательные силы на поверхностях катания колес, величина которых зависит от л и л. С увеличением /. от 0 до Лп = 0,0013344 рад за время ^ = 0,053309 с (см. рис. 3) происходи! небольшое

уменьшение величины Кг, но затем она плавно возрастает с увеличением А. и

достигает наибольшего значения 84,674554 кН при X = 0,0106777 рад.

*

Уменьшить величину Ыг можно только за счет уменьшения угла перекоса тележки. Если специально созданное устройство позволит создать момент сил, равный по величине и противоположенный по направлению разворачивающему моменту М0 = .1 Аз, а также поддерживать величину этого момента до выхода

электровоза из кривой, то у тележки при вписывании в кривую не возникнет тенденция к перекашиванию, давление на рельс гребня набегающего колеса теоретически будет равно н> лю. Допускаемые правилами технической эксплуатации отклонения от номинальных размеров параметров верхнего строения пути и параметров экипажной части электровоза ВЛ80 естественно будет искажать

теоретическую картину вписывания, поэтому ]ЧГ не будет точно равна нулю. Но прижатие гребня к рельсу будет эпизодическим, а интенсивность бокового износа рельсов и гребней колес локомотивов будет в пределах нормы.

Заключительный параграф главы посвящен сравнительному анализу двух способов устранения тенденции к развороту тележки в рельсовой колее (третья серия расчетов). В первом способе указанная тенденция устранялась за счет изменения величины силы в поперечной межтележечной связи; во втором - за счет управляемого изменения момента пары сил, действующего со стороны кузова на тележку. Анализ производился с помощью математической модели, описанной в главе 2. Результатом анатиза явился вывод о предпочтительности второго способа. Расчеты показывают что требуемая величина момента пары сил, который должен создаваться таким устройством, не превышает 300 кН м.

Четвертая глава диссертации посвящена анализу влияния подсыпки песка на условия вписывания двухосных локомотивных тележек в кривые и рассмотрению способа предотвращения боксования, который позволит уменьшить количество песка, подаваемого под колеса локомотива.

При движении электровоза по кривым малого радиуса, когда тележки занимают перекосное положение, происходит увеличение коэффициента упругого проскальзывания колес по рельсу и, как следствие, возникает пробуксовка первых колесных пар тележек локомотива. Для устранения боксования обычно производится интенсивная подсыпка песка под колеса. В результате проскальзывание колес уменьшается и реализуется необходимая сила тяги, но в то же время в 2,5 раза возрастает сила прижатия гребня колеса к рельсу. Отсюда - повышенный износ. Сокращение количества подаваемого песка ведет к уменьшению износа гребней колес. Подробный вывод формул и их численный анализ приведен в работе [2]

Для уменьшения количества подаваемого песка необходимо создание такого устройства для предотвращения боксования, которое при возникновении боксования хотя бы на одной колесной паре автоматически выполняло перераспределение тягового усилия между колесными парами локомотива, а подсыпку песка производило только в исключительных случаях.

В период с 1989 по 1990 годы на ДВЖД и ЗабЖД силами ВНИИЖТа и ХабИИЖТа произведена модернизация электровозов ВЛ80Р №1798 и ВЛ80Т №1112. На электровозах устанавливалась схема защиты от боксования, основанная на спаривании осей электрическими уравнителями. Эта система была разработана сотрудниками ВНИИЖТа, ее доводка и последующие всесторонние испытания производились научным коллективом при участии соискателя.

По результатам испытаний были сделаны выводы о целесообразности оборудования опытной партии электровозов сер™ ВЛ80 противобоксовочной системой с уравнителями. К сожалению, из-за неблагоприятной экономической ситуации реализовать эту программу не удалось.

Тем не менее, модернизация эксплуатируемого парка электровозов ВЛ80 новой противобоксовочной системой актуальна и в настоящее время. Выполнение

модернизации в рамках капитального заводского ремонта сократит расходы на ее проведение, а эксплуатация локомотивов с новой противобоксовочной системой позволит не только повысить их тяговые и эксплуатационные характеристики, но и уменьшить степень бокового износа локомотивных колес и рельсов в кривых малого радиуса.

Пятая глава работы посвящена экспериментальной оценке результатов, полученных в рамках теоретического исследования динамики вписывания электровозов ВЛ80 в кривые малого радиуса.

Описана методика проведения экспериментов, приведены электрические и механические схемы измерительных устройств и датчиков.

По результатам опытных поездок с динамометрическим вагоном на участке Смоляниново - Партизанск ДВЖД сделаны следующие выводы:

• для всех тележек локомотива увеличение тяговой нагрузки приводит к увеличению угла их поворота относительно продольной оси кузова, что увеличивает углы набегания нечетных колесных пар;

• величина угла набегания первой колесной пары в тележке увеличивается с возрастанием порядкового номера тележки от головы состава:

• в каждой секции угол набегания первой колесной пары больше угла набегания третьей колесной пары;

• в перегруженном режиме на 30-40 % по отношению к номинальному режиму возрастают углы набегания всех первых колесных пар в тележках;

• при работе локомотива на пределе сцепления (при интенсивном использовании песка) наблюдается резкое увеличение углов набегания всех первых колесных пар в тележках.

Положение тележки в рельсовой колее определялось по величине угла набегания ее первой колесной пары путем пересчета угла разворота каждой тележки относительно кузова секции через геометрические размеры электровоза и верхнего строения пути индивидуально для каждой кривой.

Позднее в ДВГАПС была разработана новая измерительная система, позволяющая регистрировать положение тележек локомотива относительно рельсовой колеи. При помощи данной системы в 1996 году были проведены дополнительные испытания. В качестве экспериментального участка пути был выбран 8520 километр перегона Хабаровск 1 - Вира. После обработки полученных данных были получены результаты, на основании которых были сделаны следующие выводы:

• все тележки электровоза ВЛ80 при вписывании в кривые малого радиуса занимают перекосное положение;

• величина разворота тележек (степень перекоса) более выражена у локомотивных тележек, находящихся дальше от головы состава;

• величина разворота тележек зависит от режимов движения и параметров состава.

Таким образом эксперименты, выполненные по двум различным методикам, показали что, при вписывании тележек в кривые малого радиуса они действительно устанавливаются в перекосное положение; величины углов разворота тележек локомотива, в основном, соответствуют результатам, полученным с помощью математической модели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Комплекс исследований, выполненный в соответствии с поставленной целью и задачами, позволил оценить влияние различных факторов на интенсивность бокового износа гребней локомотивных колес в кривых малого радиуса и дать практические рекомендации по путям ее уменьшения. 1. Теоретически и экспериментально установлено, что тележки электровоза ВЛ80 при входе в кривую малого радиуса на первых метрах пути устанавливаются в перекосное положение и сохраняют его до выхода из кривой. Определяющее влияние на процесс разворота тележек оказывают касательные силы на

поверхностях катания колес.

2. Для исследования причин повышенного износа гребней колес в кривых малого радиуса введен динамический критерий бокового, который с точностью до постоянных величин равен произведению силы нормального давления гребня колеса на скорость проскальзывания гребня по рельсу.

3. Разработана уточненная математическая модель динамики вписывания электровоза ВЛ80 в кривые мачого радиуса, позволяющая установить причинно-следственные связи между изменениями параметров поездной работы локомотивов и изменением динамического критерия бокового износа рельсов и гребней колес.

4. Определено, что сила нормального давления гребня колеса на рельс существенно увеличивается с ростом угла перекоса тележек. Доминирующим фактором, определяющим величину силы нормального давления гребня колеса на рельс, являются дополнительные составляющие касательных сил на поверхностях катания колес, возникающие в процессе перекашивания тележек.

5. Установлено, что подсыпка песка под колеса локомотива для предупреждения боксования вызывает увеличение в 2 - 3 раза силы нормального давления гребня колеса на рельс.

6. Установлено, что поосное регулирование тяговой нагрузки с сохранением общей тяговой нагрузки на секцию электровоза практически не влияет на изменение величины силы нормального давления гребня колеса на рельс.

7. Установлено, что при движении колеса с изношенным гребнем, когда угол наклона его прямой вставки к оси колесной пары превышает 75°, скорость проскальзывания гребня колеса по рельсу увеличивается в 1,5-2 раза по сравнению со скоростью проскальзывания гребня неизношенного колеса.

8. В обычных условиях эксплуатации локомотивов некоторого уменьшения интенсивности бокового износа гребней колес можно добиться за счет исключения из эксплуатации локомотивов, у которых угол наклона прямой вставки гребня к

оси колесной лары превышает 75° (при норме 70°), и за счет оборудования локомотивов противобоксовочной системой с электрическими уравнителями, позволяющей значительно уменьшить количества песка для предотвращения боксования.

9. Для радикального решения проблемы бокового износа рельсов и гребней колес электровозов BJI80 необходимо предусматривать установку устройства, обеспечивающего принудительное удерживание локомотивных тележек в хордовом положении за счет пары сил, действующих на тележку со стороны кузова локомотива.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Григоренко В.Г., Доронин C.B. Особенности движения тяжеловесных поездов на участках с кривыми малого радиуса. / Межвузовский сборник научных трудов, ДВГАПС. "Транспорт и связь" ч. 1, 1994.

2. Доронин C.B. Влияние подсыпки песка как средства предупреждения боксования на увеличение бокового износа рельсов и гребней колесных пар локомотивов. / Межвузовский сборник научных трудов, ДВГАПС, "Транспорт и связь" ч. 1, 1994.

3. Доронин C.B. К вопросу определения сил, возникающих в узлах соединения кузова с тележками электровоза BJI80P при движении в режиме тяги по криволинейным участкам пути. ! Межвузовский сборник научных трудов, ДВГАПС, "Современные методы повышения эффективности использования локомотивов", 1996.

4. Григоренко В.Г., Доронин В.И., Доронин C.B., Стецюк А.Е. Исследование интенсивности бокового износа гребней колес локомотивов в кривых малого радиуса. / Тезисы докладов VI научно-технической конференции посвященной 100-летию МИИТа, 1996.

5. Григоренко В.Г., Доронин C.B. Исследование интенсивности бокового износе рельсов и гребней колесных пар на участках железных дорог с кривыми мало-

го радиуса. / Тезисы докладов Дальневосточной научно-практической конференции г. Владивосток, 1995.

Григоренко В.Г., Доронин C.B. Факторы определяющие износ колесных пар подвижного состава в кривых малого радиуса. / Тезисы докладов XXXIX научно-технической конференции ДВГАПС, 1995.

Доронин В,11, Доронин C.B., Стецюк А.Е. Теоретические исследования факторов влияющих на боковой износ гребней колес электровоза BJI80P в кривой малого радиуса. / Тезисы докладов XXXVII научно-технической конференции ХабИИЖТа, 1991.

Власьевский C.B., Находкин В.В., Доронин C.B. Устройство для управления вентилями плеча преобразователя // Авторское свидетельство № 1686648. -07.07.1989.

Власьевский C.B., Перцовский М.Л., Доронин C.B. Оборудование электровозов переменного тока противобоксовочной системой с уравнителями / Тезисы докладов XXXVII научно-технической конференции ХабИИЖТа, 1991. . Власьевский C.B., Перцовский М.Л., Доронин C.B. и др. Определение потерь электроэнергии на скольжение колес относительно рельсов в режимах тяги и рекуперативного торможения электровоза В80Р. / Сборник научных трудов, ХабИИЖТ, "Вопросы повышения эффективности устройств тягового электроснабжения в условиях Дальнего востока и БАМ". 1989. . Власьевский C.B., Доронин C.B. Разработка средств диагностики системы автоматического управления электровозов ВЛ80Р. / Сборник научных трудов, ХабИИЖТ, "Вопросы эксплуатации и ремонта локомотивов в условиях Дальнего востока и Сибири". 1990. 1. Власьевский C.B., Галушко Д.А., Доронин C.B. и др. Система автоматического управления электровозов ВЛ80Р оборудованных ACME. / Тезисы докладов

I

XXXVI научно-технической конференции ХабИИЖТа, 1989. 3. Власьевский C.B., Перцовский MJ1., Доронин C.B. Оборудование электрово-