автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Снижение износа колес железнодорожного подвижного состава при конструктивных изменениях ходовых частей

^ Ф МПС РФ

Московский государственный университет

сС> ^

^ путен сообщония(МИИТ)

На нравах рукописи

УДК 620. t.027. !.001.07:625. i 12

К - 68

Корольков Евгений Павлович

Снижение износа колес

железнодорожного подвижного состава

при конструктивных изменениях

ходовых частей

(05.22.07 - - подвижной состав железных дорог н тяга поездов)

АВТОРЕФЕРАТ

лиссергаиии ira соискание ученой степени доктора технических паук

Москва - 1997

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор ХОХЛОВ A.A.

- доктор фиэ-мат наук, профессор ШЕСТАКОВ A.A.

- доктор технических наук, профессор КАШНИКОВ В.Н.

Ведущее предприятие - департамент пассажирских

перевозок МПС

Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщенияРФ,

защита диссертации состоится 1997 г.

в /час, на заседании диссертационного совета Д 114.05.05 при Московском государственном университете путей сообщения

по адресу: 101475, ГСП, г.Москва, А-55, ул.Образцова, 15, ауд. 1210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан "

1997 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу университета.

Ученый секретарь диссертационного

совета, д.т.н., профессор ^^/в.Н.ФИЛИППОВ

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

За последние два десятилетия на сети железных дорог России особо остро стоит вопрос снижения износа гребней колес и бокового износа рельсов в кривых участках пути. Мероприятия, проводимые для снижения износа, в основном, связаны с уменьшением коэффициента скольжения и увеличением твердости контактируемых материалов. В теоретическом плане проводятся исследования по учету нелинейности различных факторов, влияющих на относительное скольжение колеса по рельсу, которые в большей степени влияют на сцепные свойства колесных пар локомотивов и поперечную устойчивость движения экипажа. Однако, проводимые мероприятия не влияют на причину возникновения интенсивного износа гребней колес, а лишь воздействуют на физические компоненты, участвующие в механизме трущихся поверхностей. Существующие характеристики износа поверхности катания и гребней(факторы износа) не содержат в явном виде параметров ходовых частей и пути(ширина, зазор, радиус кривой) и для выявления их влияния на износ требуется большая вычислительная работа и трудоемкий анализ результатов счета.

Рассматриваемая диссертационная работа обеспечивает решение вопроса по оценке влияния геметрических параметров тележки и пути на износ контактируемых поверхностей колес и рельсов.

Введенные автором понятия плотности скольжения позволяют производить оценку влияния изменения указанных геометрических параметров на интенсивность износа поверхности катания и гребня колес в кривых и прямых участках пути, проектировать профили катания колес, способствующие снижению интенсивности их износа, с учетом параметров тележки и пути. Разработанные автором формулы подсчета удельных мощностей сил скольжения позволяют оценить изменение дополнительных сил сопротивления в зависимости от геометрических параметров тележки и пути.

Решение этих вопросов преобретает особую актуальность в свэи с рос-

том цен на энергоносители и стоимость колесных пар и рельсов, ростом трудозатрат на переточку поверхностей колесных пар и замену рельсов.

Диссертация представляет собой научную квалификационную работу, в которой на основании выполненных исследований изложены научно обоснованные технические решения проблемы снижения износа колесных пар железнодорожного подвижного состава путем выбора рационального профиля поверхности катания колеса по разработанной математической модели. В работе теоретически и экспериментально проведена оценка влияния сужения колеи на износ поверхности колес, проведена оценка роста мощности сил скольжения от сужения колеи.

Цель работы состоит в выяснении причин возникновения интенсивного износа гребней колес, определении основных параметров тележки и пути, влияющих на износ гребней и поверхностей колес и рельсов, определении удельной мощности сил скольжения, выработке рекомендаций по уменьшению износа поверхностей катания и улучшению динамических характеристик экипажа на основе шиной методики. Решение этой проблемы состоит в:

1) уточнении свойств движения тележки с жесткой рамой в кривых участках пути;

2) уточнении свойств движения колесной пары в жесткой раме при поперечном перемещении ее из центрального состояния;

3) получении характеристики износа поверхности катания и гребня в прямых и кривых участках пути в зависимости от геометрических параметров тележки и пути;

4) проектировании профилей катания колес, уменьшающих износ;

5) выводе кинематических уравнений движения колесной пары с криволинейным профилем;

6) экспериментальной проверке износостойкости колес с новыми профилями и сравнении ее с износостойкостью колес с стандартным профилем;

7) сравнительной экспериментальной проверке динамических параметров ходовых частей и проверке их на существующих математических моделях;

8) выработке рекомендаций по совершенствованию конструкции тележки, способствующей уменьшению износа поверхности катания и улучшению динамических качеств.

Научная новизна диссертации заключается в:

1) введении нового понятия "плотности скольжения поверхности катания и гребня", позволившего осуществить вывод аналитических выражений, оценивающих влияние параметров тележки, профиля колеса и пути на износ контактируемых поверхностей;

2) выводе аналитических выражений удельной мощности сил скольжения в прямых участках пути с учетом контакта гребня с рельсом и без контакта и таких же зависимостей для кривых;

3) обосновании и обобщении рекомендаций по проектированию профилей поверхности катания железнодорожных колес; предложении нового уравнения криволинейного профиля и проектировашш профилей на основании этого уравнения, способствующих уменьшению износа поверхности катания и гребня;

4) доказательстве прочности движения колесной пары и двухосной тележки и создании математической модели описания движения тележки с радиальной установкой колесных пар без использования гипотезы Картера.

Научная ценность работы определяется созданием теоретического метода оценки влияния геометрических параметров тележки и пути на износ поверхности катания и гребня колеса при движении экипажа в прямом и кривом участках пути; обоснованием и созданием математической модели движения тележки с радиальной установкой колесных пар без использыва-ния сил крипа; выработкой методики проектирования профилей катания ж.д.колес и предложением нового уравнения криволинейного профиля.

Практическая ценность. Выполнение исследования позволили аналитически оценивать влияние параметров тележек и пути на износостойкость профилей поверхности катания колес и проектировать новые профили, обеспечивающие движение двухосной тележки без контакта гребней колес с рельсами.

В результате проведенных исследований выработаны рекомендации по проектированию профилей колес и тележек с радиальной установкой колесных пар.

Применение профилей, разработанных автором, для магистральных железных дорог и метрополитена позволяет увеличить пробег между переточками в 2-3 раза, уменьшить боковой износ рельсов в кривых, уменьшить сопротивление движению экипажей, тем самым снижать расход топлива к электроэнергии.

Предложенная математическая модель движения тележки с радиальной установкой колесных пар, позволяет оценить влияние параметров подрес-соривания в горизонтальной плоскости на динамические качества ходовых частей.

Реализация работы.

Внедрен в эксплуатацию конический профиль с увеличенной конусностью

- на ж.д. путях горонообогатительных комбинатов;

- на тележках банковских вагонов;

- в пассажирском депо Москва-3.

Результаты внедрены

- при разработке изменений и дополнений в ПТЭ(приказ МПС N-611 от 6 марта 1996г.-,

- при разработке ремонтных профилей колес грузовых вагонов N Н-11367 от 25.10.95 г, N М-1002 от 29.12.95 г;

- в указаниях ЦЛ МПС о расширении эксплуатационной проверки колесных пар с профилем катания, разработанном в МИИТе(1Ч-23 ЦЛПВ от 05.04.93г., N-23 ЦЛПВ от 20.06.95г.)

- при разработке ремонтного профиля колес пассажирского вагона N К-4188 от 27.05.97 г.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на:

- научно-техническом совете МПС РФ, 1930 г.;

- научно-технических семинарах МИИТа "недели науки"(1994-1997 гг.);

- научном семинаре "Теория устойчивости динамических процессов" РГО-ТУПС (1996,1997 гг.);

- международном симпозиуме " Безопасность первозочных процессов", Москва, 1995 г.;

- 9-ой международной конференции "Проблемы механики железнодорожного транспорта ', Днепропетровск, 1996 г.;

- 2-ой международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта", посвященной 100-летию МИИТа, Москва, 1996 г.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 11 печатных работах опубликованных в журнале "Железнодорожный транспорт", в трудах МГУ ПС и РГОТУПС, а также в тезисах докладов на научных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Материал диссертации изложен на страницах машинописного текста, содержит Зс таблиц и 3$ рисунков, список литературы из 1$3названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность научной проблемы, показано ее народнохозяйственное значение и проанализировано современное состояние проблемы взаимодействия поверхностей катания, гребней колес и рельсов, решения проблем, связанных с динамикой и износом поверхностей катания колес и рельсов. Отмечается, что решение этих проблем во многом связано с контактом колеса и рельса, их взаимосвязанностыо и многоцелевым назначением профиля колеса. Отмечается, что назначение профиля колеса заключается в обеспечении безопасности движения, виляния тележки без контакта гребней колес с рельсами, вписывании в кривые и увеличении длительности эксплуатации колес между переточками.

Далее проводится обзор работ, связанных с проблемой повышения провозной и пропускной спосбностью железнодорожного транспорта, которая не может быть решена полностью без учета основного звена, связывающего подвижной состав с верхним строением пути(контактирование колес с

рельсом), и, в тоже время, зависит от конструкции тележки, реализованного в ней способа подвешивания и конструкции пути и его содержания.

Колесная пара является основным элементом, передающим всю нагрузку от вагона на путь в любой конструкции тележки. В тоже время, колесная пара является источником колебательных процессов экипажа вцелом и его элементов, процессов сопротивления движению в прямых и кривых участках пути, вписывания экипажей в кривые, сцепления локомотивных колес с рельсами, взаимодействия ходовых частей с кузовом экипажа и рельсами, износостойкости колес и рельсов и их прочности.

Поэтому в краткой исторической справке рассматриваются фундаментальные научные работы, связанные со всеми отмеченными проблемами.

Первые исследования в этой области были выполнены академиками Н.Е.Жуковским и Н.П.Петровым. Работы Н.Е.Жуковского заложили основы исследований продольной динамики поездов и скольжений колес жестко насаженных на ось. Н.П.Петров, наряду с О.Рейнольдсом, выдвинул гипотезу механизма трения качения, которая до настоящего времени используется в исследовании механизма передачи касательных сил в контакте колеса с рельсом и имеет большое значение при определении сцепных свойств локомотивных колес.

Исследования в области продольной и вертикальной динамики изложены в трудах А.М.Годицкого-Цвирко, А.А.Попова, С.В.Вершинского, Л.Н.Никольского, В.АЛазаряна, Н.А.Панькина, Е.П.Блохина, М.Ф.Вер-иго, А.Я.Когана, Соколова М.М., Л.О.Грачевой, Ю.М.Черкашина и многих др.

В работах по вертикальной динамике рассматриваются колебания экипажей в зависимости от особенностей устройств железнодорожного пути, их воздействие на путь, рассматриваются вопросы плавности хода и, связанные с этим вопросы подбора параметров устройств, обеспечивающих улучшение динамических характеристик экипажей. Большое количество исследований по динамике экиапажа связано с созданием новых видов вагонов. И в этой связи следует упомянуть работы ученых кафедры "Вагоны" МИИТа Котуранова В.Н., Анисимова П.С., Филиппова В.Н., Хусидо-

ва В.Д., Хохлова A.A., Шадура Л.А., связанные с созданием восьмиосных вагонов, в которых всесторонне рассматривалась прочность, динамика таких экипажей и ее взаимосвязь с верхним строением пути.

Результаты крупных исследований, выполненных в области изучения динамической нагруженностн локомотивов и моторовагонного подвижного состава, опубликованы в трудах И.П.Исаева, В.Н.Иванова, А.А.Камаева, И.В.Бирюкова, Н.Н.Овечниковв, А.Н.Савоськина, М.П.Пахомова и многих других.

С ростом скоростей движения большое значение, особенно для пассажирских поездов, приобретает обеспечение движения без контакта гребней колес с рельсами, связанного с проблемой горизонтальной динамики экипажа, износа поверхности катания и гребня колес, вписывания экипажей в кривые. Решению этих задач посвящены многие исследования отечественных и зарубежных ученых. Первые работы, использующие математическую модель, основанную на гипотезе Картера, появились в нашей стране в 40-х годах и здесь следует отметить монографию Н.А.Ковалева, который рассмотрел боковые колебания экипажа при контактировании гребня колес с рельсом и без контакта и определил критическую скорость движения для двухосной тележки. Дальнейшее развитие исследований по горизонтальной динамике предопределили работы В.Б.Меделя, Х.Хеймана, К.П.Королева, С.М.Андриевского, С.М.Куценко, И.П.Исаева, Т. А.Тибилова, О.П.Ершкова, В. А.Лазаряна и многих других ученых. Представляют большой интерес работы

Ю.В.Демина, А.Л.Голубенко, Н.И.Глаголева, в которых подробно анализируются исследования, касающиеся проблемы устойчивости движения, выбора математической модели и методов их исследований.

Среди вопросов, требующих незамедлительного решения, следует выделить износ поверхности колес и увеличение сроков эксплуатации колесных пар. Актуальность решения этой проблемы для рельсового транспорта страны вызвана катастрофическим ростом отбраковки колесных пар по износу гребней за последние два десятилетия.

Теоретические исследования и практические разработки, посвященные

решению перечисленных задач, наиболее полно были представлены на двух международных конференциях, прошедших в Днепропетровске и Москве.

В теоретических исследованиях основной упор делается на создание математических моделей, анализ которых численными методами позволяет наиболее полно оценивать характеристики движения экипажа.

В работах Г.П.Бурчака, В.С.Коссова, Л.А.Манашкина, В.Д.Данови-ча, В.Д.Хусидова, Ж.Соважа и др. предлагаются модели, в которых учитываются криволинейность профиля колеса и рельса, скольжение набегающего гребня на рельс, изменение места контакта, множественность контактов, уточняются методики проскальзывания, упругость колесной пары, исследуется влияние неровностей пути в плане.

Уточнению методики расчета износа посвящены работы В.М.Богданова, Ю.С.Ромена, Л.Н.Волкова и др. В работах И.Н.Максимова, В.Ф.Ушкапова, И.Ю.Малышевой, Ю.М.Черкашина численными методами исследуются влияния различных параметров экипажа и его ходовых частей на динамику движения и износ колес.

На основе анализа движения экипажа по волновой неровности в прямых участках пути в работах А.А.Хохлова делается вывод о влиянии конусности профиля катания и неровности на амплитуду колебаний колесных пар и отмечается, что зазор в колее из-за смещения траектории движения от оси пути существенно уменьшается. Это приводит к более частому набеганию гребня и длительному прижатию его к рельсу и увеличению износа.

Большое число работ посвящены снижению износа путем смазывания трущихся поверхностей или их упрочнению. Этими вопросами, в большей степени, занимались сотрудники ВНИИЖТа.

Другое направление снижения износа состоит в применении колесных пар с дифференцированным вращением колес или независимым вращением. Теоретический анализ движения трамвая с такими колесными парами, проведенный под руководством А.Л.Голубенко, показал, что при движении в прямых со скоростью 5 м/с уровень боковых сил снижается, а в

кривых уменьшения не происходит. В работе Л.В.Вшшика и Ю.С.Ромена приводятся результаты испытания вагона метрополитена с независимым вращением колес и указывается, что силы взаимодействия опытного вагона и пути в прямых и кривых участках не отличаются от сил взаимодействия серийного вагона. Как отмечается в работе В.М.Бакурова и др., проведенные ими испытания показали, что движение колесной пары с пезависмым вращением колес происходит с постоянным прижатием гребней к одному из рельсов, зависит от состояния пути и конструктивных особенностей и не в полной мере удовлетворяет существующим критериям по возможностям всползания гребня на рельс. Другой метод снижения износа гребня в кривых и направляющих усилий состоит в пременении тележек с управляемыми колесами или тележек с принудительным их поворотом в кривых. В работах В.Н.Каптикова,Е.П.Дудкина, Н.А.Шаппсова, В.А.Двухглавова отмечается, что применение тележек с радиальной установкой колесных пар позволяет уменьшить износ гребней за счет уменьшения боковой силы, которая снижается в 1.5-2 раза.

Существенное уменьшение износа гребней и поверхности катания колесных пар связано с изменением профиля катания, толщины гребня и радиальной установкой колесных пар. Этим вопросам посвящены работы М.П.Гребенюка, В.П.Есаулова, В.С.Коссова и др. Как показывают расчеты и испытания, применение криволинейных профилей и конических с увеличенной конусностью позоляет снизить фактор износа и направляющее усилие в кривых от 10% до нескольких раз в зависимости от скорости движения.

Износ поверхности катания и гребня, динамические характеристики в горизонтальной плоскости зависят от норм устройства и содержания пути. В результате анализа данных комплексных испытаний, проведенных под руководством В.А.Ивашова, установлено влияние норм содержания рельсовой колеи в кривых радиусом до 650 м на интенсивность износа гребней колес вагонов.

Среди работ зарубежных исследователей, посвященных вопрсам влияния геометрии контакта колеса и рельса, норм содержания пути, ради-

альной установки колесных пар в тележке следует отметить работы последних лет Н.Берега, Л.А.ЕПапяа, Я.Ло1у, А.Н^ккепва, Н.Ма1зш и др., в которых подчеркивается необходимость комплексного решения задачи снижения износа, уменьшения боковых сил, устойчивости движения в зависимости от приведенных выше факторов.

Проведенный обзор работ показывает, что износ поверхности катания колес зависит от многих причин, таких как соотношение геометрических параметров колесных пар и тележек, соответствия геометрии профилей колеса и рельса, параметров пути и технического содержания ходовых частей экипажа и верхнего строения пути. В силу этого задача исследования влияния геометрических параметров тележек и пути на износ поверхности катания колес и их гребней является сложной и актуальной из-за роста износа гребней на сети железных дорог России.

Во второй главе с целью получения в дальнейшем износовой характеристики, зависящей от геометрических параметров тележки и пути, рассматриваются свойства движения двухосной тележки и колесной пары, жестко заключенной в раму тележки, в круговых кривых.

Рассматрено движение свободной колесной пары(КП) и получено необходимое условие качения ее в кривых без скольжения, которое сводится к выполнению следующего условия.

Обозначим В.( - радиус кривой, описываемой центром КП в горизонтальной плоскости при поперечном сдвиге КП в кривой, равном 8, где & -зазор на одну сторону между рельсом и гребнем колеса колеса колесной пары в центральной установке. Этот радиус равен:

щ = % (0.1)

где: г - радиус кругов катания колес при центральной установке КП в кривой;

2Ь - расстояние между этими кругами катания; 21 - конусность профиля поверхности катания; II - радиус кривой.

Очевидно, что если имеет место неравенство

Ri < R, (0.2)

то КП катится в данной кривой без скольжения ее колес по рельсам и без набегания гребнем на внешний рельс. В противном случае, гребень набегает на внешний рельс и КП катится со скольжением одного из колос.

Анализ неравенства, которое является необходимым условием качения КП без скольжения, показал, что во всех кривых радиуса менее 916 м для колес диаметром 950 мм и радиуса менее 1053 м для колес диаметра 1050 мм неравенство(0.2) не выполняется при нормах устройства пути 1936 года и тем более не выполняется при существующих нормах устройства пути (для вагонных колес при R < 1295 и локомотивных - при R < 1391). Следовательно, во всех этих кривых свободная КП будет внешним колесом набегать на внешний рельс и одно из колес будет катится со значительным скольжением. При этом, во все время движения в хривой, KII не может выйти из перекошенного, набегающего на внешний рельс, состояния, прижимаясь к внешнему рельсу гребнем набегающего колеса с большой силой.

Из неравенстза(0.2) следует, что для того, чтобы улучшить условия качения КП в хривых, т.е. свести проскальзывания ее колес по рельсам и набегание гребня внешнего колеса на рельс до минимума, необходимо уменьшить величину Rg.

Из формулы(ОД) следует, что это может быть достигнуто либо за счет увеличения суммарного зазора в колее, либо за счет увеличения конусности по кругу катания. Величина R$ может быть уменьшена и за счет уменьшения числителя, что связано с конструктивными изменениями колес и ширины пути.

Далее рассматриваются свойства движения двухосной тележки, с жестко закрепленными КП в раме, в круговых кривых. Показано, что если все силы действующие на тележку уравновешены, го состояния хордовой установки и установки наибольшего перекоса при существующих нормах устройства пути являются неустойчивыми. Если тележка по каким-либо причинам примет эти установки, то она немедленно выйдет из них и будет

стремиться занять такую установку, при которой ее задняя ось расположится по радиусу кривой или будет колебаться около этого состояния. Такая установка названа "естественной". Естественная установка сохраняется во все время движения по кругой кривой. Если по каким-либо причинам тележка была выведена из состояния естественной установки, то при дальнейшем движении она стремится к этому состоянию.

Принимая такую установку за основу были получены формулы для отыскния величин зазоров между гребнями колес и рельсами и величин радиусов качения при условии постоянного прижатия гребня набегающего колеса к рельсу.

Для выяснения характера движения КП, расположенных параллельно и жестко закрепленных в раме, были установлены свойства движения их, если к ним приложеная внешняя продольная сила(ведомая КП) и если приложен крутящий момент (ведущая КП). Эти свойства неодинаковы и зависят от выполнения необходимого условия качения КП и соотношения величин вертикальных нагрузок на колеса с большим и меньшим радиусами качения. Однако, в любом случае при движении в кривой одно колесо КП скользит, а другое катится, если считать колеса и рельсы абсолютно жесткими.

Было установлено, что при движении ведомой колесной пары более нагруженное колесо катится без скольжения вдоль рельса, а менее нагруженное - скользит. При равенстве вертикальных нагрузок катится колесо с большим радиусом качения. При качении внешним колесом в кривой момент сил реакций, возникающих в точках контакта колес с рельсом, разворачивает колесную пару, выводя ее из состояния набегания на внешний рельс. Движение в кривой ведущей колесной пары происходит таким образом, что катится колесо с меньшим радиусом, а с большим радиусом катится со скольжением назад (боксованием) при выполнении неравенства Rs > Л. При этом, если сила реакции внешнего колеса больше силы реакции внутреннего, то возникающий момент этих сил разворачивает колесную пару, выводя ее из состояния набегания на внешний рельс. В противном случае, этот момент способствует набеганию на внешний

рельс. При выполнении неравенства < 7? момент сил реакций, неэ симо от того какое колесо скользит, разворачивает колесную пару, вы! ее из состояния набегания на внешний рельс.

В третьей главе вводится понятие плотности скольжения (ПС) пои ности катания (ПСПК) и гребня (ПСГ) колес.

Назовем плотностью скольжения поверхности катания колеса(ПС отношение длины пути с подскальзыванием к длине пройденного п Плотностью скольжения гребня(ПСГ) в кривой назовем отношение п пройденного колесом с прижатым гребнем к рельсу к пройденному в м время пути качением без скольжения.

Понятие ПС вводится как один из основных показателей, характ зующих степень износа рельсов и колес в зависимости от параметро1 лежки и пути и является сравнительной характеристикой.

В основу определения ПС были положены свойства движения теле и КП, рассмотренные в предыдущей главе. ПСГ имеет смысл для кривых, в которых не выполняется необходимое условие качения КП

В результате решения поставленной задачи были найдены выражу для линейных ПСПК и ПСГ при движении в круговых кривых. Выр; ния соответсвующих ПС включают в себя базовые размеры тележки( радиус по кругу катания(г), конусность(2г) профиля катания (разнос кругах катания в смещенном состоянии КП), зазор в колее между г ре; и рельсом(^), радиус кривой(К) и угол набегания(а) для ПСГ и попе ной составляющей ПСПК.

Поперечная составляющая ПСПК, приходящаяся на колеса теле-получена в виде

¿4 &№

= 1 бш а =

¿1 ~ ' "

а выражение дуговой(линейной) плотности суммы абсолютных вел! скольжения колес вдоль рельсов для двухосной тележки с жесткой С в виде

Здесь величина 77 величина зазора гребня колеса задней оси с внешним рельсом.

Установлено, что функционал(0.5) достигает минимума при всех значениях произведения iS, принадлежащих отрезку:

Лг , .„ кг ,

^<»5 <д+*1?. (0-6)

При этом наименьшее значение

№\т<„ = = -у-, (0.7)

при оптимальном значении

Ит

гб = (0.8)

Любое другое значение произведения

Ит

гб = — + ¿7Г), 0 < 7 < 1 К

требует уширения колеи в кривой на величину 777 при постоянной конусности или увеличения конусности при постоянном зазоре в кривой.

Анализируя выражение (0.8), следует заметить, что оптимальное значение произведения г£ пропорционально расстоянию между кругами катания, радиусу по кругу катания в центральной установке и обратно пропорционально радиусу кривой.

Выражение (0.5) позволяет оценить влияние радиуса кривой и зазора в колее на величину плотности скольжения. Был произведен анализ изменения ПС в зависимости от радиуса кривой для пути, устроенному по нормам 1936 г. и существующим нормам с учетом предусмотренных уши-рений, а также анализ влияния сужения существующего пути на 4 мм и 8 мм. Анализ показал, что с уменьшением радиуса кривой и ширины пути ПС возрастает. Показано, что с переходом к ширине пути 1520 мм ПС возросли в интервале изменения радиусов кривых от 200 м до 1200 м и всюду превосходят ПС при ширине пути 1524 мм.

Анализ изменения средних значений ПС на отрезках радиусов кривых 200-349м, 350-449м, 450-649м и 650-1200м показал, что с переходом на путь

шириною 1520 мм ПС возросла в кривых радиуса 650-1200м в 3.3 раза, радиуса 450-619м в 1.83 раза и радиуса 350-449 в 1.77 раза. Сужение существующей ширины пути на 8 мм приводит дополнительно к увеличению ПС на тех же интервалах соответственно в 1.13, 1.36 и 1.23 раза. Сравнение средних значений ПС , подсчитанных для интервала изменения радиусов кривых от 300 м до 1250 м, показало, что с переходом на существующую ширину пути. ПС поверхности катания увеличилась в 1,8 раза.

При движении в кривых участках пути, в случае не выполнения неравенства /?{ < П. набегающее на внешний рельс колесо катится, скользя гребнем по рельсу. Протяженность скольжения будет зависить от параметров пути и тележки. Для исследования влияния этих параметров на длину пути скольжения гребня по рельсу определена ПСГ по формуле:

Ра | Р

в! Л агсаш , — Д

-2(^-1). (0.9)

Эта формула носит приближенный характер и может служить качественной оценкой влияния ширины пути и радиуса кривой на ПСГ. Данная формула получена из предположения, что в кривой радиуса II набегающая КП может двигаться качением без проскальзывания лишь радиусом

1гг п

Р= — > Я »У

Анализ значений ПСГ показал, что для КП с конусностью 1/10, движущихся в кривых радиуса менее 946 м и устроенным по нормам 1936 г., величины ПС меньше, чем при движении в кривых существующего пути. Особенно эта разница велика в диапазоне кривых радиуса 350 - 650 м. Кроме того, применение уширений пути позволяет катится набегающей колесной паре с частичным проскальзыванием гребнем практически во всех кривых радиуса 350-946 м, в то время как в существующих кривых радиуса 350-840 м гребень скользит постоянно на всем пройденном пути.

Если произвести осреднение значений ПСГ на интервале радиусов от 300 м до 1250 м, то уменьшение ширины колеи в кривых привело к увеличению плотности скольжения в 5,6 раза(1,57 средняя плотность скольжения для существующего пути и 0,28 - для пути по нормам 1936 г.). Полученные значения ПС, позволяют оценить степень влияния ширины пути и радиуса кривой и произвести необходимые меры по снижению плотности скольжения. Основными параметрами, существенно влияющими на плотность скольжения, являются зазор в пути между гребнем и рельсом, конусность профиля поверхности катания, расстояние между кругами катания, ралиус по кругу катания и радиус кривой.

Из анализа ПСПК и ПСГ следует, что для уменьшения износа гребней, поверхности катания колес и поверхностей рельсов без больших капиталовложений необходимо изменение профиля поверхности катания колес.

В четвертой главе получены формулы ПС при движении тележки в прямых участках пути и удельной мощности трения сил скольжения в прямых и круговых кривых. Формулы ПСПК и ПСГ , полученные для КП двухосной тележки, движущейся в кривой, не могут быть применены в прямой, т.к. утол набегания тележки является переменным в силу извилистого движения тележки. Поэтому ПС в прямых будет функцией и бокового перемещения и угла поворота тележки. Формулы ПС выведены как для движения без контакта гребней с рельсами, так и при наличии контакта. В последнем случае к ПС без контакта добавляется ПС гребня на соответсвующих участках, длины которых также определены.

Полученные ПС тележки в прямых и кривых участках пути использованы для определения удельной мощности сил трения скольжения(УМСС) в предположении неизменности давления колес тележки на рельс и коэффициента скольжения. Считалось также, что направляющяя сила в кривых и при набегании гребня на рельс в прямых во все время контакта постоянна и равна произведению вертикальной силы на косинус угла наклона гребня.

Так как ПС есть отношение длины пути с подскальзыванием к длине пройденного пути, на котором происходит скольжение, то, умножая

ПС на силы скольжения и скорость скольжения, получены выражения для определения УМСС. УМСС является характеристикой дополнительного сопротивления движению, т.к. любое отклонение КП от центральной установки и ее поворот вызывает скольжение колес тележки.

При движении в кривой тележка испытывает сопротивление движению как за счет скольжения поверхности катания, так и за счет скольжения гребня по рельсу, если не выполняется необходимое условие качения тележки в кривых без скольжения колес. Поэтому УМСС в кривых будет определяться выражением

(».о,

где Р - вертикальная сила давления колеса на рельс, / - коэффициент трения скольжения, V - скорость скольжения, з - индекс поверхности скольжения колеса, ^ - плотность скольжения, д - индекс поверхности скольжения гребня, х ~ угол наклона образующей гребня.

Определяя УМСС при движении тележки в прямом участке пути, рассмотрены случаи движения без контакта гребней колес с рельсами и с частичным контактом.

При безконтактном движении УМСС получена в виде

ж = +У)I +1*'(» - <*/')! + 2Игу"} . (0.11)

Здесь у, у', у" - соответственно траектория движения центра тяжести КП, первая и вторая производные функции траектории.

Если же движение в прямом участке пути происходит с контактом гребня колеса с рельсом, то УМСС на участке контакта будет складываться из УМСС гребня и поверхности катания и будет, в отличие от выражения(О.Н), постоянной величиной на этом участке пути, если пренебречь скольжением задней колесной пары.

ЛИ', 2

Ж = РЯКТг1№-Аг| + (0.12)

Анализ выражений(О.П) и (0.12), показывает, что УМСС зависит от амплитуды колебаний, величины зазора п колее, геометрических прамет-рон тележки и пути и скорости движения.

Так как плотность и скорость скольжения в прямых участках пути являются переменными величинами, то УМСС была определена как отношение мощности на четверти длины траектории к длине четверти траектории.

Обозначая через £1, И^, 52> - соответственно длины и мощности участков движения без контакта гребня с рельсом и с контактом, УМСС , приходящаяся на единицу длины траектории, получена по формуле

<ПУ3 = УУ^ + УГА

¿1 51 + 52 К ' '

Здесь

, ¿ш .

= I -гуЖ 5, = / ¿Ь, ¿=1,2, { аь {

I Ь

г = 1 отвечает участку движения без контакта, г = 2 - с контактом.

Сравнительный анализ результатов показал, что во всех кривых радиуса не более 1250 м из-за унификации и сужения колеи происходит увеличение УМСС. Так в кривой радиуса 650 м УМСС возросла в 2 раза, а расходы на разницу УМСС составили 59 тыс.р и 61 тыс.р на километр пути соответственно при электрической и тепловозной тягах, в кривой радиуса 950 м - соответственно на 41 тыс.р и 43 тыс.р.

При анализе влияния ширины колеи и конусности на УМСС в прямых участках пути рассмотрены следующие случаи:

1. Тележка движется при зазоре 6 мм без контакта гребня с рельсом и сравнивается влияние изменения конусности на УМСС при одинаковых начальных условиях. Начальные условия выбраны так, чтобы колесная пара с меньшей конусностью выбирала зазор без силового контакта гребня с рельсом. Оказалось, что при таком движении увеличение конусности с 0.1 до 0.2 приводит к увеличению УМСС в 2.5 раза и составила 0.11 кВт и 0.27 кВт соответственно.

2. Конусность одинакова 1/10, но начальные условия приняты так, чтобы движение без контакта осуществлялось при зазоре 8 мм. Тогда при зазоре 6 мм происходит набегание на рельс и часть пути гребень находится в постоянном контакте с рельсом. В этом случае УМСС составила 0.2 кВт

при зазоре 8 мм и 43 кВт при зазоре 6 мм. Это увеличение вызвано контактом гребня с рельсом из-за сужения колеи. Стоимость электроэнергии и топлива разницы мощностей при электрической и тепловозной тяге составила соответственно 13.2 тыс.р и 13.7 тыс.р на км пути. 3. Зазор в колее б мм, конусность 1/5 и 1/10. Начальные условия выбраны так, чтобы при большей конусности колесные пары двигались без контакта колес с рельсами. Тогда при конусности 1/10 происходит набегание колес на рельсы при тех же начальных условиях. В этом случае мощности сил скольжения составили соответственно 0.55 кВт и 78.7 кВт на км пути. Таким образом, применение колес увеличенной конусности в современных условиях устройства пути снижает мощность сил скольжения, практически компенсируя сужение колеи.

В пятой главе выработаны условия проектирования профилей катания КП, выведены условия, обеспечивающие кинематически устойчивое движение ее, условия одноточечного контакта профиля колес с рельсом, определены свойства точки контакта криволинейного профиля.

Был произведен сравнительный анализ влияния очертания профиля на изменения разницы в радиусах катания при поперечном смещении КП и зоны перемещений точки контакта по профилю колеса и рельса. Для этого были получены функции координат точек контакта на колесе и рельсе в зависимости от перемещения центра тяжести КП и кривизн контактиру-емых профилей. Криволинейный профиль задавался уравнением, предложенным автором н сотрудниками МИИТ и защищенным патентом, и его модификациями.

Показано, что зона перемещения точки контакта по профилю при всех криволинейных профилях больше, чем у конического. Так зона контакта на колесе на "0,6у", "2у", "у" больше для рассмотренных профилей, чем для конического.

Следовательно, с точки зрения равномерности износа профиля, криволинейные профили предпочтительней линейных.

Оценивая влияние профиля колеса на зону перемещения точки контакта по головке рельса, показано, что зона контакта также больше при приме-

нении криволинейных профилей. Износ головки рельса будет более равномерным, если профиль катания колеса криволинейный.

Как отмечалось выше, ПС колеса уменьшается с увеличением разности радиусов кругов катания при поперечном перемещении центра колесной пары относительно оси пути. Поэтому выбор профиля, уменьшающего износ поверхности катания и гребня колеса и, следовательно, рельса, необходимо производить с учетом этого фактора.

Анализ выражений для определения разности в кругах катания показал, что с применением криволинейных профилей разность в кругах катания по сравнению с коническим профилем увеличивается как за счет коэффициента в линейном слагаемом, так и за счет квадратичного слагаемого, влияние которого возрастает с увеличением поперечного перемещения колесной пары(уравнение криволинейного профиля содержит линейный и квадратичный члены). При определенных параметрах разность в кругах катания по сравнению с коническим стандартным профилем возрастет в 1,41 раза для симметричного профиля(две склеенные осесимметричные параболы), в 2 раза для монотонного профиля ив 1,58 раза для криволинейно конического профиля( от гребня парабола, а от крута катания -прямая). При смещении колесной пары на величину у — 6мм, что соответствует зазору между рельсом и гребнем на одну сторону, разности в кругах катания увеличиваются соответственно в 1.81, 2 и 1.98 раза.

Из проведенного анализа следует, что среди рассмотренных криволинейных профилей предпочтительней криволинейно конический профиль, так как при малых отклонениях разность в кругах катания растет как у симметричного, а при больших - как у монотонного.

Увеличение разности кругов катания при поперечном перемещении колесной пары можно добиться также изменением конусности конического профиля. С увеличением коничности в к раз перемещение центра тяжести КП относительно оси пути на величину "у" вызовет разность в кругах катания

Дг = 2 kiy,

что в к раз больше, чем при коническом профиле с коничностыо г. Раз-

ность в кругах катания конического профиля с коничностыо г = 0, 1 составляет Дг = 1,2мм. а с коничностыо г = 0,05 - Дг = 0,6мм.

Однако, показано, что с увеличением конусности при неизменной поду-клонке рельса, точка контакта колеса с рельсом в центральной установке перемешается внутрь колеи. Так переход к коническому профилю с конусностью г' = 0,1 смещает точку контакта на головке рельса радиуса 500мм на величину 25мм внутрь колеи по отношению к точке контакта колеса с коничностыо г = 0,05. Такое перемещение нежелательно не только из-за смещения дорожки качения при прямолинейном движении, но и с точки зрения износа рельса, который начинает изнашиваться с внутренней стороны как в кривых, так и в прямых участках пути.

В тоже время, следует подчеркнуть, что конические профили с большей конусностью наряду с увеличением разности в кругах катания обладают большим ресурсом по износу поверхности катания, так как по мере износа прямолинейный профиль превращается в криволинейный. Следовательно, к ресурсу износа конического профиля до криволинейного, добавляется ресурс по износу криволинейного профиля.

Таким образом при проектировании профиля колес выбор параметров профиля необходимо производить, учитывая и функциональное назначение профиля, и особенности головки рельса.

В шестой главе проведен вывод дифференциального уравнения кинематического движения центра тяжести КП с криволинейным профилем катания в прямом участке пути и приведено его решение.

Оказалось, что траектория центра КП описывается эллиптическим синусом или косинусом в зависимости от начального поперечного смещения и, следовательно, имеет колебательный характер. Амплитуда колебаний и частота зависят от геометрических параметров контактируемых тел, так как они входят в выражения координат точек контактирования колеса и рельса, определяющих частоту и амплитуду колебаний.

Отметим, что любой изношенный профиль колеса может быть приближен функцией, которая предложена для описания криволинейной части профиля и, поэтому, с износом прямолинейного профиля движение центра

КП будет иметь колебательный характер с изменяющейся в зависимости от износа частотой колебаний.

В седьмой главе в основном приводятся результаты сравнительных испытаний по износу колес с профилями МИИТ и стандартного профиля и влияние их на динамические показатели движения тележки.

Произведен анализ причин увеличения объема обточек КП на вагоноремонтных предприятиях. Анализ причин обточки КП грузовых и пассажирских вагонов показал, что основную долю неисправностей составляют дефекты, связанные с интенсивным износом гребней колес. Так по грузовым тележкам отбраковка КП по этому дефекту составляет 48,9%, что в 4,25 раза превышает уровень неисправностей, связанный с прокатом ко-лес(11,5%). Это обстаятельство убедительно свидетельствует об отклонениях от нормального процесса взаимодействия КП с рельсами, когда колеса обтачиваются по основному дефекту - прокату колес. При отбраковке КП пассажирских вагонов основную долю отбраковки на переточку составляют КП по износу гребней (47,04%). Доля КП, отбракованных по прокату составляет 25,3%, из них по равномерному прокату 21,17%. Такая ситуация привела к значительной напряженности в работе железных дорог и свидетельствует о том, что процесс взаимодействия КП с рельсами происходит ненормально, когда наблюдается увеличение в процентом отношении интенсивного износа гребней колес, а прокат поверхности катания уменьшается.

Одним из средств снижения износа гребня является применение новых профилей, параметры которых учитывают современное состояние пути. В середине 80-х годов под руководством проф. Панькина H.A. был разработан и внедрен в эксплуатацию на Соколовско - Сарбайском ГОКе конический профиль. Этот профиль имеет более тонкий по сравнению со стандартным гребень и конусность 1:5, что вдвое больше, чем у стандартного. Толщина гребня и конусность выбраны таким образом, чтобы КП могла катится без скольжения во всех кривых магистральных железных дорог. Исходя из этого и из норм устройства пути, конфигурации головки рельсов, рекомендуется толщина гребня 31 мм и конусность 1:5.

Применение такого профиля позволило увеличить срок службы КИ п 1,5 - 2 раза.

В целях уменьшения износа гребня нагонных колес, на основании проведенных теоретических исследований, в МИИТе были спроектированы криволинейные профили для применения на магистральных железных дорогах и в метрополитене. Эти профили удовлетворяют условиям одноточечного контакта, имеют более тонкий гребень по сравнению со стандартным, криволинейный участок от круга катания до выкружки гребня и прямолинейный от круга катания до внешней грани колеса. При проектировании криволинейного участка учитывалось, что головка рельса состоит из трех участков, считая от оси симметрии, описываемых дугами окружностей радиуса 500 мм, 80 мм и 15 мм. Поэтому криволинейный участок поверхности катания также имеет три участка. Такая форма связана с необходимостью непрерывного перемещения пятна контакта по поверхностям головки рельса и колеса. Границы участков выбраны таким образом, чтобы центр пятна контакта находился на соответствующих границах участков головки рельса. Диапазон перемещения точки контакта на этих профилях составляет почти 34 мм по сравнению с 12 мм при стандартном профиле и 18 мм при стандартном профиле с толщиной гребня 30 мм. Увеличение диапазона перемещения точки контакта позволяет снизить интенсивность износа поверхности катания колеса по сравнению со стандартным более чем в два раза.

Для проверки эффективности применения предложенных профилей по уменьшению интенсивности износа гребеней и поверхности катания были проведены сравнительные эксплуатационные испытания.

Испытания по износу гребня конического профиля МИИТ(КПМ) с конусностью 1:5 и толщиной гребня 33 мм были впервые проведены на Соколовско-Сарбайском комбинате в период с 1982 по 1984 годы. КП с КПМ эксплуатировались в трехосных тележках УВЗ-11А десяти вагонов 2ВС-105. Испытания показали, что интенсивность износа гребней колес с КПМ снизилась на 28,5% по сравнению с интенсивностью износа гребней типовых колес(СП). Средняя величина износа гребня с КПМ составила

1,25 мм в месяц, а с СП - 1,75 мм. В результате количество обтачиваемых колесных пар уменьшилось более чем в 1,5 раза, несмотря на увеличение интенсивности эксплуатации думпкаров на 11,4%.

Испытания КПМ и криволинейного профиля МИИТ(ПМ) были продолжены в 90-х годах в связи с массовым ростом отбраковки КП по износу гребня как на магистральных железных дорогах, так и на промышленных. В период 1990 -1991 года на тяговом участке Лебединского ГОКа были проведены сравнительные испытания 5 вагонов-самосвалов 2ВС-105 с КП, обточенными по ПМ. Вагоны, имеющие ПМ были включены в одну вертушку, чередуясь с вагонами, КП которых имели СП. Период наблюдений осуществлялся до отбраковки КП по износу гребней и для некоторых вагонов составил один год. Исследования показали, что наибольшая интенсивность износа приходится на период приработки. Так, за первые 10 дней эксплуатации средняя интенсивность износа составила 0,33 мм/день для СП и 0,192мм/день для ПМ, т.е. на 45% меньше. За весь период наблюдений средняя интенсивность износа, приведенная к одному дню составила 0,078мм для СП, для ПМ - 0,058 мм, что на 25,6% меньше чем для СП. С учетом износов профилей с конусностью 1:5 применение ПМ, как показали исследования, резко снижает интенсивность износа гребней в период приработки и в меньшей степени ( на 25-28%) за весь период эксплуатации до переточки.

В связи с резким ростом отбраковки в 1992 г. КП по износу гребня пассажирских вагонов восточных маршрутов была осуществлена пробная эксплуатация трех пассажирских вагонов в составах поезда 77/78 Москва-Нерюнгри с КП, обточенными по коническому профилю МИИ-Та с толщиной гребня 31мм, и организовано наблюдение за износом колес этих вагонов и вагона, имеющего колеса стандартного профиля. Замеры износа производились после поездки состава в оба конца. Сравнение производилось по средневыборочным износов гребня и прокату, приведенным к одному колесу, в зависимости от пробега.

Анализ интенсивности износа гребней и проката колес составов поезда 77/78 показал резкое уменьшение ее для КПМ на стадии приработки. Так,

после пробега 15400 км. интенсивность износа гребня составила 0.26 мм и 1.46 мм на 10 тыс.км соответственно для КПМ и СП, интенсивность проката - соответственно 0.29 и 0.89 мм. Таким образом, применение КПМ снижает интенсивность в среднем в 5.5 раза по износу гребня и в 2.6 раза по прокату. Из анализа интенсивности износа КПМ следует, что у пего практически отсутствует стадия приработки, на которую приходится половина износа гребня СП. После стадии приработки кривые изменения интенсивности износа гребней имеют одинаковый характер изменения для обеих профилей, но с меньшим уровнем для КПМ, что и определяет увеличение срока эксплуатации по износу гребня. Очевидно(и это подтвердили испытания), что с применением профилей МИИТа отбраковка колесных пар будет производится не по износу гребня, а по прокату, который, в свою очередь, менее интенсивен, чем у стандартного профиля. Пробег колесных пар с КПМ был увеличен в среднем в 3-3.5 раза по сравнению с колесными парами СП, работавшими на маршруте Москва-Нерюнгрн.

На основании результатов проведенных испытаний, учитывая, что все контролируемые размеры, предлагаемых МЙИТом профилей колес, соответствуют Инструкции ЦВ/3429, ЦЛ МПС разрешил в 1993 году проверку ресурса таких КП в вагонах поездов восточного и средне-азиатского направлений.

В зимний период 1994-1995 г.г. для проверки влияния профилей катания на динамику движения пассажирского вагона были проведены динамические испытания пассажирского вагона, включенного в состав поезда 133/184, следующего по маршруту Москва-Хабаровск-Москва. Исследуемым объектом являлась вагон-лаборатория МИИТа, КП которой были обточены по СП(первая поездка), ПМ (вторая поездка) и КПМ (третья поездка). Цель ходовых испытаний состояла в сравнении динамических показателей ходовых качеств вагона в зависимости от профиля поверхности колес и сравнении износа гребней колес при одинаковой длине пробега на заданном маршруте. Основной задачей ходовых испытаний была оценка характеристик ходе пых качеств вагона при движении с различными скоростями и случайными неровностями на характерных участках пути.

В маршруте пассажирского поезда Москва-Хабаровск-Москва пробег вагона-лаборатории составил 17000 км, что соответствует периоду приработки нового профиля. Поэтому, чтобы еше раз проверить износ профилей, предлагаемых МИИТом в сопоставлении с колесами стандартного профиля, производились замеры износа толщин гребней колес и проката по кругу катания. Замеры производились шаблоном У-1 и абсолютным шаблоном.

Анализ данных износа показал, что для гребней колес стандартного профиля он составил 2-2.5 мм, в то время как гребни колес с профилями МИИТ практически не изнашивались.

Больший износ гребня стандартного профиля объясняется недостаточной разницей в кругах катания колес КП при прохождении не только кривых, но и прямых участков с большим количеством горизонтальных неровностей пути. При этом колеса находятся в контакте с рельсом, в основном, поверхностью гребня-галтелью и наклонной частью, что ведет к интенсивному подрезу гребней. Следует отметить, что разности толщин и проекций по мере износа гребня всех профилей практически совпадают. Однако, для СП наблюдается уменьшение и толщины гребня и проекции при малом прокате(«0.7 мм). Это означает, что износ гребня происходит с подрезом его основания, что подтвердилось замерами абсолютным шаблоном.

Для профилей МИИТа наблюдается иная картина - с ростом проката растет и толщина гребня и его проекция, что говорит о неизменности поверхности наклонной части гребня и о контактировании колес с рельсом при движении в кривых поверхностью катания, а не гребнем.

Эти результаты подтвердили теоретические выводы об уменьшен™ износа гребня с увеличением зазора и увеличением конусности и уменьшении проката с увеличением конусности по кругу катания.

Проведенный анализ позволил сделать следующие выводы по износу сравниваемых профилей при пробеге 17000 км, что несколько больше пробега периода приработки:

1. Увеличение разности кругов катания при поперечной сдвижке с одно-

временным уменьшением толщины гребня на 2-3 мм по сравнению со СП обеспечивает прохождение кривых магистральных железных дорог без постоянного контакта гребней с рельсами. 2. Движение колесных пар СП по кривым радиуса менее 1050 м происходит качением по поверхности гребня, что приводит к интенсивному его износу и подрезу. 3. Небольшая величина проката у колес СП является следствием движения КП в прямых участках пути с частым и длительным прижатием гребней к рельсам.

Изменение профиля поверхности катания колес оказывает влияние на изменение динамических характеристик взаимодействия подвижного состава и верхнего строения пути, и характеристик взаимодействия деталей ¡1 узлов подвижного состава при его движении.

в соответствии с указанием МПС РФ К-13042 от 22 ноября 1994 г. и программой испытаний были проведены сравнительные динамические испытания.

Испытания проводились на вагон-лаборатории МИИТа N 01772680, оборудованной необходимой аппаратурой для замеров вертикальных и горизонтальных усилий, действующих на раму тележки и соответсвую-Щ!гх ускорений. Ускорения также замерялись в центре тяжести вагона и над центром тележки. Вертикальные и горизонтальные силы измерялись при помощи наклеенных теизорезисторов в принятых сечениях тележки, а ускорения - при помощи ускорениемеров типа АБ — 1С.

В соответствии с распоряжением МПС вагон-лаборатория была включена в состав пассажирского поезда N 183/184 маршрута Москва-Хабаровск. Для сравнения измеряемых величин замеры производились на одних и тех же участках. Выбор участков был произведен с учетом их прохождения в дневное время и наличием на них кривых различного радиуса. Всего за каждую поездку было произведено 16 включений по 8 - в каждую сторону. На участках измерения преобладали кривые радиусом от 500 до 1200 м, составившие 63% всех кривых, на которых проводились измерения. Протяженность прямых участков - составила 83 км. Все замеры производились при отрицательной температуре.

Для сравнения влияния профиля поверхности катания на уровень сил

и ускорений из всей совокупности, произведенных замеров на различных участках, были отобраны замеры, в которых сравниваемые величины имели абсолютные максимальные значения. Это вызвано тем, что конт-рукнии подвижного состава и пути рассчитываются по максимальным действующим значениям усилий. Кроме того, не предсталяется возможным произвести сравнение измеряемых величин на отдельно выбранном участке за какой-либо промежуток времени, так как эти участки вагон-лаборатория проходила с разными скоростями и в различные периоды времени.

Скорости движения, характер неровностей, план и профиль пути носили случайный характер и для сравнения изучаемые величины распределялись по диапазонам скоростей от 30 км/час до 110 км/час на прямых с интервалом в 10 км/час. В кривых сравниваемые величины группировались по интервалам радиусов кривых. В каждом таком интервале по произведенной выборке подсчитывался срепневыборочный параметр, по которому производилась оценка сравниваемых величин.

Анализ результатов измерений в кривых показал, что при скоростях движения до 90 км/час средняя значений рамных сил при СП ниже аналогичных значений для профилей МИИТа. Процент превышения при скоростях 30-49 км/час составил 46% для ПМ и 30% для КПМ. При скоростях движения 50-89 км/час процент превышения составил соответственно 8% и 15%.

При скоростях не меньших 90 км/час наблюдается превышение рамных сил при движении с СП и это превышение составило для ПМ и КПМ соответственно 15% и 16% в интервале скоростей 90-99 км/час и 20% и 14% для скоростей выше 100 км/час. Увеличение рамных сил при движении с профилями МИИТ объясняется увеличением реакций в контакте колеса с рельсом за счет увеличения разности в кругах катания при одинаковом поперечном перемещении при всех скоростях движения. Увеличение рамных сил при движении со СП на скоростях выше 90 км/час вызвано неровностями пути, при которых КП набегает гребнем на рельс, в то время как с профилями МИИ'Г такое набегание происходит реже при тех же

неровностях.

Следует отметить, что значения измеренных величин не превышают значений, определенных нормами расчета и проектирования вагонов колеи 1520 мм.

Аналогичная картина изменения срещневыборочных и максимальных ускорений. Однако разница в значениях ускорений при различных профилях не столь существенна. Так, при скоростях движения до 90 км/час сред нош.[порочная ускорений при СП на 9% и 16% меньше чем при ПМ и КПМ соответственно и на 10% больше при скоростях выше 90 км/час.

При движении по кривым радиуса 350 - 649 м значения горизонтальных ускорений при СП практически одинаковы с значениями ускорений при профилях МИИТа(0,58, 0,56 и 0,60 - соответственно при СП, ПМ и КПМ). Средние значения рамных сил при СП меньше соответствующих значений при профилях МИИТа, но имеют большие среднеквадратичные отклонения, что свидетельствует о большей чувствительности к неровностям пути. Об этом свидетельствуют и величины максимальных значений. Увеличение значений средней рамных сил для профилей МИИТа вызвано увеличением разности кругов катания при поперечном перемещении центра колесной пары. В тоже время следует отметить и сравнительно большие среднеквадратичные отклонения средних для профилей МИИТ, хотя по величине меньшие, чем при СП. Это свидетельствует о том, что в кривых КП более чувствительны к неровностям, чем в прямых. Объясняется это тем, что профили МИИТ были запроектированы так, чтобы тележка совершала колебательные движения, лишь касаясь гребнем набегающего колеса внешнего рельса при геометрически гладком в плане пути. Поэтому любая неровность в плане вызывает контакт-гребня с рельсом и, как следствие, возрастание ускорения и рамной силы тележки над набегающей колесной парой. Аналогичная картина наблюдайся и при движении по кривым радиуса более 600 м.

Анализ вертикальных сил при прохождении кривых показывает на уменьшение их средних значений, когда вагон двигался с колесными парами обточенными по профилям МИИТа. Так при прохождении кривых

до 649 м средние значения вертикальных сил н их разброс составил соответственно 1.73 г и 0.66 для стандартных профилей. 1.50 и 0.30 - криволинейных и 1.15 и 0.45 - конических. В кривых выше 650 м эти величины составли соответственно 1.58 и О.оЗ. 1.31 и 0.50 и 1.34 и 0.44. Как видно, с увеличением радиуса кривых значения вертикальных сил уменьшаются.

В ходе проведения испытаний были произведены замеры горизонтальных и вертикальных ускорении кузова вагона. Ускорения замерялись в центре тяжести вагона и над набегающей тележкой. Анализ этих значений показал, что величины этих ускорений практически одинаковы ири движении с различными сравниваемыми профилями катания колес. В торце вагона они больше, в середине меньше и по своим величинам практически одинаковы для вагонов с КП. имеющими СП. Проведенный анализ показал, что применение профилей МИИТа не влияет на ускорения кузова вагона и следовательно обеспечивает плавность движения кузова в заданных нормах для вагонов со СП колес.

Таким образом из анализа величин рамных сил и горизонтальных поперечных ускорений рамы тележки и кузова вагона можно сделать следующее заключение.

1. Применение профилей МИИТа с большей коничностью по кругу катания в среднем повышают ускорения рамы и рамные силы, но эти профили менее чувствительны к неровностям пути. 2. В кривых участках пути радиусов 350-600 м при движении со СП среднеквадратичные отклонения средних значений рамных сил и ускорения на 22% больше аналогичных величин при движении с профилями МИИТа при меньших значениях средней. Следовательно в этих кривых тележка со СП движется в состоянии набегания на внешний рельс. Большое среднеквадратичное отклонение вызвано набеганием на внешний рельс ири вхоле в кривую. 3. Увеличение разности в кругах катания практически не влияет на горизонтальные ускорения кузова вагона в поперечном направлении .

Диализ изменения значений вертикальных сил при движении в прямых участках пути показал, что при скоростях движения до 70 км/час интенсивность роста и уровень значений сил практически одинаков и практи-

чески не зависит от профиля поверхности катания колес. При скоростях движения выше 70 км/час характер роста вертикальных сил при движении с профилями МИИТа отличается от характера роста сил при движении со СП. Кривая изменения сил при СП изменяется быстрее, чем кривые изменения сил при профилях МИИТа, особенно при скоростях выше 100 км/час. Следует отметить, что характер изменения кривых при ПМ и КПМ одинаков, а уровень сил при ПМ несколько больше, чем при КПМ. Средняя величина вертикальных сил для СГГ составила 2.23 т., а максимальная выборочная 2,82 т. при средней скорости движения 105 км/час. Аналог ичные величины для криволинейного профиля составили - 1,39 т, 1,68 т и 100 км/час, а для конического профиля - 1,32 т, 1,56 т и 104 км/час.

При движении по кривым участкам пути значения среднеквадратичных отклонений вертикальных сил для каждого интервала кривых и различных профилей отличаются незначительно и имеют значения в основном от 0,07 т до 0,16 т, что свидетельствует о небольшом рассеивании значений вертикальных сил относительно средней в каждом интервале кривых. Уровень вертикальных сил в кривых радиуса 350-450 м для СП и ПМ одинаков и несколько меньше для КПМ. С увеличением радиуса кривых для экипажа с профилями МИИТ наблюдается уменьшение уровня сил, а для экипажа со СП колес - увеличение уровня сил в кривых радиуса 450-700 м. При дальнейшем увеличении радиуса кривых уровень сил снижается, причем для экипажа с профилями МИИТа характер снижения одинаковый.

Анализ изменения вертикальных ускорений в зависимости от профилей поверхности катания показал, что при малых скоростях движения экипажа в прямых участках пути ускорения рамы тележки практически имеют одинаковые величины. С ростом скоростей характер изменения ускорений и их величины для профилей МИИТ мало отличаются. Характер изменения величии ускорений при движении экипажа с колесами СП отличается большей интенсивностью и большими значениями с увеличением скоростей движения.

Итак, как показали испытания, уровень средних значений и максимальных значений наблюдаемых динамических характеристик с применением профилей МИИТа повышенной конусности не превышает, а при скоростях движения более 70км/час меньше соответствующих величин экипажей с колесами СП. При больших скоростях движения на уровень динамических характеристик при заданной величине зазора в большей степени влияют неровности пути, вызывающие тем большие значения амплитуды колебания тележки в горизонтальной плоскости, чем меньше конусность по кругу катания в центральной установке КП.

Проведенные сравнительные эксплуатационные испытания прежде всего потвердили теоретические исследования влияния геометрических параметров на износ поверхности катания колеса и рельса, показали необходимость для современных норм устройства пути перехода к новым профилям катания с более тонким гребнем и увеличенной конусностью по кругу катания или криволинейному профилю. Применение таких профилей не только снижает износ поверхностей колеса и рельса, но и не ухудшает динамических показателей ходовых качеств тележек, а при больших эксплуатационных скоростях движения эти показатели улучшаются. Результаты испытаний показали, что сужение колеи и ее унификация не только повлияли на увеличение износа гребней колес, но и ухудшили динамические показатели при больших эксплуатационных скоростях.

В восьмой главе приведены результаты численного анализа динамических и износовых характеристик пассажирского вагона на математической модели и ее програмного комплекса, созданных под руководством проф. В.Д.Хусидова.

В предыдущих главах были проанализированы результаты теоретических исследований и эксплуатационных динамических испытаний пассажирского вагона в реальных условиях и выявлены закономерности влияния параметров тележки и пути на износ поверхностей колес и динамические характеристики движения вагона.

Теперь следует сделать опенки влияния профиля колес, уширсния колеи и позмущшопшх факторов на динамические характеристики пасса-

жирского вагона на основе анализов математической модели движения в прямых, переходных и круговых кривых.

В качестве такой модели била принята математическая модель, разработанная в МИИТе на кафедре "Вагоны и вагонное хозяйство". В этой модели учитываются условия набегания колесных пар на рельсы, определяются силы, возникающие в контакте колеса по поверхности катания и, в случае набегания, гребня, подсчитываются соответствующие им мощности скольжения и все остальные динамические характеристики.

Было рассмотрено движение вагона по 5-образной кривой радиуса 150 м с переходными кривыми. Были рассмотрены три варианта устройства пути в плане: 1) с уширением 10мм; 2) с синусоидальной неровностью на всем протяжении пути и уширением 10мм; 3) с неровностью и без уширения.

Анализ результатов расчета движения вагона показал, что поперечная динамика вагона на колесных парах с профилем МИИТа по всем параметрам лучше, чем со стандартным профилем по любому варианту. Причем, при скорости движения 72 км/час в первых двух вариантах касания гребня с рельсом не происходило.

С устранением уширения колеи резко возрастает мощность трения сил скольжения. Так, средняя мощность сил трения по ободу возросла в 2 раза по сравнению с движением в уширенной колее и по гребню у стандартных колес также в 2 раза. Колесные пары с колесами профиля МИИТа из-за недостаточного зазора в колее стали контактировать гребнем с рельсами и средняя мощность сил трения составила 12,2 кг.м/сек (для сравнения 48 кг.м/сек для стандартных колес). Необходимо также отметить, что с сужением колеи происходит незначительное уменьшение боковых сил на колесах и рамных сил на всех колесных парах со стандартным профилем. Для колес с профилем МИ ИТ сужение колеи вызвало увеличение боковых сил колес в среднем в 2 раза, а рамные силы практически не изменились. Боковые силы составили 35,91 и 36,06 кн , рамные - 9,98 и 9,26 кн соответственно для стандартного и миитовоского профилей.

Это свидетельствует о том, что при контакте гребня с рельсом основ-

ную долю в увеличении боковых сил составляют силы, приложенные к гребню колес, а не к поверхности катания.

Анализ значений вертикальных перемещений колес показал, что их значения уменьшились в колее без ушмрения. Увеличенные мощности сил трения на ободе и гребне колес свидетельствовали об увеличении длительности контакта гребней с рельсами, особенно для колес со стандартным профилем.

Проведенный анализ расчетов полностью подтвердил прогноз теоретических исследований влияния конусности и ушнрения колен на износ поверхности катания и гребня. С увеличенном произведения этих величин уменьшается износ колес.

Однако, увеличивая это произведение, можно ликвидировать износ гребней, а износ поверхностей катания лишь уменьшить. Дальнейшее уменьшение интенсивности износа поверхностей катания связано с изменением конструкции тележки. Это изменение требует развязывания соединения колесных пар и рамы тележки, то есть создания тележки с радиальной установкой колесных пар.

Поэтому в настоящей главе приведены результаты обоснования математической модели движения такой тележки в кривых и прямых участках пути.

Для этого был произведен анализ работы всех существующих типов тележек с радиальной установкой КП и установлено, что нормальная работа таких тележек может быть, если обеспечено необходимое условие качения колесных пар без скольжения колес в диапазоне радиусов кривых магистральных дорог. Было также установлено, что КП может запять радиальную установку лишь под действием сил реакций колес с рельсом.

Для обоснования предлагаемой модели движения тележки с радиальной установкой КП было доказано, что КП движутся в кривых аналогично движению в прямых, но относительно оси, смещенной от геометрической оси пути на величину, зависящую от радиуса кривой. Следовательно, учитывая одинаковый характер движения КП в прямом и кривом участках пути, движение экипажа можно описывать в них одинаково, принимая за

независимую переменную в кривых длину дуги кривой и учитывая пополнительные воздействия, возникающие при движении в кривых.

Реализация радиальной установки колесных пар в тележке требует определения параметров устройств соединения колесных пар и рамы. Эти параметры должны обеспечивать условия качения КП без скольжения колес в кривых участках пути и в них должны отражаться конусности поверхности катания колеса, минимальные радиусы кривых и зазоры между рельсами и гребнями колес. При движении в прямых участках необходимо обеспечить необходимую величину предварительного сжатия упругих элементов, ограничивающих смещения КП относительно рамы тележки в продольном направлении.

Также было показано, что движение тележки и свободной колесной пары прочно по Н.Е.Жуковскому, хотя неустойчиво по Ляпунову. Из условия прочности по Жуковскому вытекает, что тележка или колесная пара, выйдя из прямолинейного равновесного состояния в дальнейшем будет совершать колебательное движение около этого состояния и это движение будет прочным.

На основании проведенных исследований была разработана математическая модель движения тележек с радиальной установкой КП в кривых участках пути. Отличительная особенность этой модели состоит в том, что силы в контакте колес с рельсами находятся из решения системы дифференциальных уравнений без использования гипотезы Картера. Возможность такого решения определилась заданием кинематического движения колесных пар. Наряду с вилянием КП, учитывалось продольное движение КП, рам тележек экипажа, имеющего массу тележки и половину массы кузова. Момент сопротивления повороту в пятнике не учитывался. Колесные пары и рельсы считались абсолютно жесткими.

Эти допущения позволили в полной мере выявить влияние параметров тележки и пути на динамические характеристики экипажа.

Так как движение экипажа в прямом и кривом участках пути может быть описано одинаковыми дифференциальными уравнениями, отражаю-пшмн особенности движения в кривой при независимом аргументе, пред-

ставляющем длину дуги, то были получены дифференциальные уравнения движения экипажа в кривом участке пути в круговой системе координат, описывающие механическую систему с одинадцатью степенями свободы: каждая из двух колесных пар имеет по четыре и рама тележки -три степени свободы. Используя интегрируемые комбинации удалось последовательно получить решения системы дифференциальных уравнений в квадратурах.

Из полученных решений был сделан очень важный вывод о свойствах движения тележки, состоящий в том, что разность продольных перемещений рамы тележки и КН и разность перемещений колесных пар являются ограниченными во все время движения. Поперечное перемещение рамы 1ележки и поворот ее вокруг вертикальной оси являются ограниченными переменными, а значит прочными по Жуковскому и устойчивыми по Ляпунову.

Таким образом, рассмотренная математическая модель движения тележки с радиальной установкой колесных пар позволяет определить траекторию движения центра тяжести рамы тележки и колесных пар и рамные силы и силы в контакте колес с рельсами как в прямых, так и в кривых участках пути. Полученные решения применимы в случае движения колесных пар без контакта гребней колес с рельсами.

На основании полученных решений был произведен анализ результатов численного расчета движения типовой тележки ЦНИИ-ХЗ, нагруженной половиной веса кузова с грузом. При этом учитывалась возможность перспективной конструкции с введением упруго-вязкой связи между колесными парами и ра.мой тележки. Поскольку задача решена в замкнутом виде, вычисления на ЭВМ сводились к вычислению определенного интеграла с заданной точностью на основе метода трапеций с пошаговым увеличением верхнего предела интегрирования, который одновременно являлся текущим значением аргумента вычисляемых функций.

В расчетах было рассмотрено влияние жесткости упругих связей, демпфирования и начальных возмущений на траекторию движения центра тяжести рамы тележки и величину реакций в контакте колес с рельса-

ми при различных эксплуатацноных скоростях движения. Для сравнения влияния профиля поверхности катания па величины перемещений и реакций в контакте колес с рельсами били провелены расчеты для КГ1 с колесами, имеющими коничность поверхности катания 1:10 и 1:20. Скорость движения экипажа, жесткость продольно-поперечного подрессори-вания колесных пар являлись варьируемыми величинами и изменялись соответственно в диапазоне 5м/с - 20м/с, 2кн/мм - бкн/мм. Все вычисления производились при условии отутствия набегания гребня на рельс и из этих соображений выбирались начальные условия состояния колесных пар и рамы тележки. Решение задачи производилось для трех комбинаций начальных условий, которые включали :

1) относы рамы тележки и колесных пар, углы поворота колесных пар;

2) углы поворота рамы тележки и колесных пар при нулевых относах;

3) относы рамы тележки и колесных пар при нулевых углах попорота. Во всех расчетах начальные относы принимались равными 0,001 м, а углы поворота - 0,001 радиан.

При этих начальных условиях движения колесных пар происходят синусоидально с одинаковой амплитудой, но различными фазами. Анализируя движение рамы тележки, можно отметить его колебательный характер. Длина волны колебаний практически постоянна и зависит от конич-ности поверхности катания. Для коничпости 1:10 она состовляет 12 м, а для коничпости 1:20 - 17 м. Это объясняется характером движения колесных пар, который по отношению к раме тележки является возбуждающим. Если в системы не включены демпферы, то на вынужденные колебания накладываются собственные. Как показали расчеты, включение демпферов в упругие связи между рамой и колесными парами незначительно влияют на вынужденные колебания рамы, но приводят к затуханию собственных колебаний колесных пар вокруг вертикальной оси и подергивания вдоль направления движения. Поэтому в дальнейшем варьировались жесткости упругих связей. Следует отмстить, что при определенных скоростях в системе возникают резонансные явления. Величины этих скоростей зависят от упругости поперечного подрессоривапия колесных пар и

рамы тележки.

Проведенные расчеты показывают, что значения относа и поворота рамы тележки для рассматриваемых поверхностей катания колес и прочих равных условий имеют одинаковый порядок, если скорости не достигают значений близких к резонансным, но они меньше по абсолютной величине для колес с профилями МИИ Га.

Оценивая влияние жесткостей подрессоривания, следует отметить общий характер изменения - с увеличением жесткости величины относа уменьшаются независимо от конусности профиля колеса, но для большей конусности относы для жесткостей более ЗООтс/м меньше. Амплитуды относа центра тяжести рамы тележки и величина реакции в контакте колеса с рельсом зависят от жесткости поперечного подрессоривания, скорости движения и конусности поверхности катания колес. При рассматриваемых поверхностях катания и одинаковых жесткостях с увеличением скоростей движения растут как амплитуды относа, так и реакции. С увеличением жесткости рессорного подвешивания величина амплитуды относа уменьшается в диапазоне рассматриваемых скоростей, в то время как силы реакции увеличиваются. Максимальная амплитуда относа с увеличением конусности уменьшается, если скорости движения не близки к резонансным. Например, при скорости движения 15-20 м/сек амплитуды относа больше при конусности 1:5, чем при конусности 1:10, так как резонансные скорости близки к скоростям движения при жесткостях рессорного подвешивания 200 -300 кг/мм. С увеличением жесткости амплитуды становятся меньше при конусности 1:5, чем при конусности 1:10 для тех же скоростей движения.

При движении в кривых всех рассмотренных радиусов значения относа и угла поворота рамы тележки меньше для колес с большей коничнос-тыо профилей катания и при увеличении радиуса кривой значения относа уменьшаются. Силы в контакте колеса с рельсом больше для колес с большей коппчностью, которые в кривых изменяются за счет изменения поперечной составляющей. Влияние жесткости поперечного подрессоривания па величину относа аналогично движению п прямых.

Анализ влияния профиля на величины сил п контакте колес с рельсами показал, что в рассматриваемом диапазоне скоростей движения значения касательных сил не достигают кулоповых сил трения скольжения л. следовательно. колеса катятся по рельсам без скольжения. Характер изменения касательных сил периодический, с длиной полны соответсвугашей длине полны выну жденных колебаний. Показано, что для всех рассматриваемых скоростей и жесткостей рессорного подвешивания значения касательных сил для СП меньше соответствующих значений для профиля МИ И Та. Однако, это отличие незначительно для скоростей движения отличных от резонансных и составляет максимум 0.2 тс. С возрастанием скоростей эти значения растут для обоих профилей при одинаковой жесткости подрессоривания. Так при жес! кости 600 мн/м величины сил выросли с 0,53тс(0.58) для скорости ом/с до 0.87(0.75) для скорости 20 м/с при профиле МИИТ(стандартном). Возрастание жесткости также вызывает рост значений сил в контакте при равных скоростях движения, но не для всех скоростей. Так при движении тележки с колесами, обточенными по профилю МИИТа, со скоростью 20м/с силы сначала растут, достигая максимума с жесткостью подрессоривания 300 мн/м, а затем падают. Такой характер изменения контактных сил объясняется тем, что в рассматриваемом диапазоне скоростей, скорость 20 м/сек близка к резонансной, если жесткость подрессоривания в горизонтальной плоскости составляет 300 мн/м.

Направление абсолютной силы в контакте зависит от соотношения между составляющими вдоль и поперек пути. Изменения составляющих носят колебательный характер и соотношение между ними зависит от начальных условий. Отметим, что колебания составляющих контактных сил сдвинуты по фазе и их максимальные абсолютные значения не совпадают. Величины продольной составляющей сдвинуты на величину силы сопротивления продольному движению, которая в расчетах принята равной 0,2 тс.

Анализ расчетов показывает, что наихудшие условия движения тележки по всем рассматриваемым характеристикам^ тпос, поворот и каса-

тельная сила) возникают, если КП повернуты на максимально возможный одинаковый по знаку угол или. когда начальные значения относа и поворота вызывают наибольшую амплитуду колебаний КГ1.

В заключение главы определены основные принципы конструирования двухосной тележки с радиальной установкой ее КП в кривых участках нуги. Движение такой тележки может быть осуществлено только при выполнении необходимого условия движения колесной пары без набегания гребнем на внешний рельс в кривой. Для криволинейного профиля это условие выражается неравенством

П - Г2

где гх > г2 - радиусы кругов катания внешнего и-внутреннего колес при поперечном смещении колесной пары в кривой на величину зазора <5.

Для конического профиля это условие приведено во второй главе.

Эти условия имеют фундаментальное значение при конструировании тележек: при невыполнении этих неравенств никакими конструктивными схемами нельзя заставить колесную пару в кривой принять радиальную установку.

Кроме этого необходимого условия должно быть обеспечено угловое перемещение колесной пары вокруг вертикальной оси. Для обеспечения свободы этих перемещений относительно рамы тележки достаточно ввести зазоры между буксой и боковиной рамы в продольном направлении на величину Д/ на каждую сторону, определяемую по формуле

Л , Ш Л Ш

где До - радиус расчетной кривой, 2Н - расстояние между шейками колесной пары, Л - предварительный натяг, учитывающий сопротивление движению вдоль пути.

Механизм опирания рамы тележки на буксу должен обеспечить с одной стороны свободу указанного углового перемещения колесной пары относительно рамы, а с другой - возвращающую силу, перпендикулярную к оси в горизонтальной плоскости. Эта сила может быть осуществлена или

с помощью боковой составляющей нагрузки на буксу, или с помощью пружины с предварительным натягом. Величина силы в момен т исчерпания зазора Л/ должна быть меньше кулоновой силы трепня между колесом и рельсом

Q, (Al) < fP

где Р - вертикальная сила реакции колеса на рельс, / -коэффициент грения между колесом и рельсом.

Для гашения колебаний рамы тележки, наряду с боковыми возвращающими силами, желательно параллельное включение сил вязкости, осуществляемых с помощью гидравлических и фрикционных демпферов гасителей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время особую актуальность преобрела задача определения причин повышенного износа гребней колес, из-за которого ежегодно в переточку направляется 800000 КП грузовых вагонов и 50000 КП пассажирских вагонов, что составляет около 50% всех КП, поступающих п переточку.

Решение этой задачи и задачи уменьшения износа поверхности катания колес непосредственно повлечет снижение износа, особенно бокового, рельсов, уменьшение сопротивлению движения и динамического взаимодействия подвижного составами пути в горизонтальной плоскости.

Для решения поставленной задачи в работе теоретически обоснованы и сформулированы свойства движения двухосной тележки с жесткой рамой в кривых и свойства движения КП в жесткой раме. Введено понятие естественной установки двухосной тележки в кривой.

Введено понятие плотности скольжения поверхности катания и гребня колес как меры износостойкости их. На основании свойств движения тележки и колесной пары получены выражения для определения плотности скольжения при движении в кривых и показана возможность проектирования профиля поверхности катания колес и изменения норм устройства пути, позволяющая минимизировать износ поверхности катания и гребня

колес и. как следствие, уменьшить износ рельсом. Показано, что достижение минимума износа поверхности катания колес возможно при изменении конструкции тележки.

Выработаны требования к проектированию профилей колес и предложено уравнение криволинейного профиля катания колес. Разработан криволинейный и конический профили для существующих норм устройства пути, уменьшающие износ колес.

Проведены эксплуатационные сравнительные испытания пассажирского вагона с KII стандартного профиля и разработанных криволинейного и конического профилей.

Доказана прочность движения свободной колесной поры и гс.чажьи с жесткой рамы. Создана математическая .модель расчета движения тележки с радиальной установкой КП и выработаны требования проектирования таких тележек. Проведены сравнительные расчеты влияния конусности профиля колес, жесткостей подрессоривания и демпфирования, скорости движения н характера неровностей на горизонтальные параметры движения рамы тележки с радиальной установкой КП.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы н предложения.

1. Движение KIT, заключенной в жесткую раму, при поперечном смещении относительно оси пути происходит с проскальзыванием одного колеса и качением без проскальзывания другого. У ведомой КП при равных нагрузках на колеса катится колесо большего радиуса, а меньшего - скользит; у ведущей - катится колесо меньшего радиуса, а большего - скользит. В кривых участках пути двухосная тележка с жесткой рамой движется в состоянии установки, которая является устойчивой по все время движения в кривой. В этой установке зазоры между гребнями колес и рельсами остаются неизменными.

2. Если не выполняется необходимое условие качения КП без скольжения колес, то в кривой передняя КП всегда движется с контактом гребня и боковой поверхности внешнего ре.п.са.

3. На износ контактирующих поверхностей колес и рельсов влияют геометрические параметры тележки и рельсов. Износ зависит от радиуса кривой, базы тележки, зазора между гребнем колеса и рельсом, расстояния между кругами катания, радиуса и конусности профиля катания колеса. Установленный в настоящее время зазор между КП и рельсов вызывает интенсивный износ гребней колес и боковых поверхностей рельсов и вызывает дополнительные силы сопротивления движению

4. Радикальным методом уменьшения износа гребней колес и сопротивления движению является восстановление уширений и расстояния между рельсами 1524 мм. Для минимизации износа гребней и поверхности катания необходима разработка новых профилей катания колес и тележек с радиальной установкой колесных пар.

5. В настоящее время, учитывая конструктивные особенности тележки и пути, изменение которых влечет за собой большие капиталовложения, наиболее целесообразным для уменьшения износа поверхности катания и гребня является изменение толщины гребня и профиля поверхности катания колес.

6. Вновь разработанные профили катания колес должны удовлетворять необходимым условиям качения колесных пар без скольжения колес и условию одноточечного контакта, учитывающего профиль головки рельса.

7. Сравнительные эксплуатационные испытания профилей, разработанных в МИИТе, и стандартного подтвердили теоретические выводы о влиянии зазора в колее и конусности профиля катания на износ поверхности катания и гребня колес. Применение профилей МИИТа снижает интенсивность износа гребня в стадии приработки в 5 -7 раз и поверхности катания в 2 - 2,5 раза и увеличивает пробе!' между обточками «2-3 раза. Применение профилей МИИТа -криволинейных и с увеличенной конусностью не ухудшают динамических характеристик тележки, а численные расчеты показыпают па уменьшение

не только показателей износа поверхности катания и гребней колес, но и боковых сил в контакте колеса с peju.coM и рамных сил.

8. Разработанная математическая модель позволяет производить расчеты тележек с радиальной установкой колесных пар в прямых и кривых участках пути. Конструкция 1аких г еле же к должна удовлетворять разработанным необходимым требованиям проектирования.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований для уменьшения износа поверхности катания и гребней колес и бокового износа рельсов предлагаются следующие меры: Восстановить ширину пути и уширения в кривых по нормам 1936 г. Уменьшить толщину гребня, так как восстановление ширины пути требует больших капиталовложений.

В целях уменьшения износа поверхностей катания, боковых сил на колеса и рамных сил использовать профили МИИТа.

Разработать конструкцию тележки с радиальной установкой колесных пар. позволяющих дальнейшее снижение износа поверхностей катания и уменьшение уровня горизонтальных сил, используя разработанную математическую модель расчета и требования к проектированию их.

Выражаю искреннюю признательность профессорам и сотрудникам кафедры "'Вагоны и вагонное хозяйство" МИИТа за чуткость и внимание, проявленные ко мне в процессе написания работы, и помощь в проведении экслуатационных испытаний.

Считаю своим долгом выразить огромную благодарность и признательность профессору Н.А.Панькину, который к сожалению не сможет увидеть э?у работу. Без его ценных советов и замечаний эта работа возможно бы не состоялась.

Основные положения диссертации опубликован!,I в следующих работах:

1. Корольков [':.11. К вопросу описания движения колесной пары при учете крипа. //Межвузовский сб. науч. тр. "Проблемы матемагпчес-

кого обеспечения устойчивости, стабнлизнруомости н долговечности '.келеэнолорожпых устройств". М.: ВЗИИ'Г. 1993. стр. 5-L1

2. Корольков Е.П. Сравнительный анализ влияния геометрических характеристик тележки и пути па износ поверхности катания колес. 9-ая международная конференция "Проблемы механики железнодорожного транспорта". Днепропетровск. Тезисы докладов. 1996. с.92

3. Корольков Е.П.и др. Испытания колес с новым профилем катания. Железнодорожный транспорт, 8. .VI.:1993.

4. Панькин H.A., Корольков Е.П., Гребенюк М.П., Минасян В.Б. Вывод уравнения кривой, описываемой в горизонтальной плоскости центром колесной пары при криволинейном профиле поверхности катания. Математические методы и задачи функционирования транспортных систем. Межвуз. сб. науч. тр. -М.:МИИТ, 1992, вып. 966, стр.99-103.

5. Корольков Е.П., Панькин H.A., Гребенюк М.П. Обол железнодорожного колеса. Патент RU 2019430 С1, 1994

6. Корольков Е.П., Бондаренко А.И. Выбор профиля, уменьшающего износ гребня колес, в условиях метрополитена. Межвуз.сб.науч.тр. -Математические методы и задачи функционирования систем железнодорожного транспорта. М,: 1995

7. Корольков Е.П., Бондаренко А.И. Уточнение модели для описания движений экипажа в горизонтальной плоскости.// МеждVнародпый симпозиум "Безопасность перевозочных процессов", Тезисы докладов. М.: 1995, стр.36

8. Корольков Е.П., Панькин H.A., Бондаренко А.И. Кинематика движения двухосной тележки с жесткой базой в кривом участке пути. Тезисы докладов но итогам "Неделя науки-94". Часть 2. -М, - 1995. стр. 112

9. Корольков Е.П., Авсринцев М.Б. Описание движения колесной пары

с учетом си.т упругости в контакте колеса с рельсом. //2 межлуна-родная научно-тех. конференция. М.: Тезисы докладов. Т.2. 1996.

10. Корольков Е.П., Бондаренко Л.И. О выборе допущений при линеаризации уравнений, описывающих движение экипажа в горизонтальной плоскости. Межвузовский сборник научных трудов. М.. РГОТ^ ПС, 1997. с.67-70.

11. Корольков Е.П. Влияние профиля поверхности колеса на рамные силы пассажирской тележки. Межвузовский сборник научных трудов. М„ РГОТУИС, 1997, с.85-88.

Корольков Евгений Павлович

СНИЖЕНИЕ ИЗНОСА КОЛЕС ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПРИ КОНСТРУКТИВНЫХ ИЗМЕНЕНИЯХ ХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Подписано к печати ,/О, 5?, Формат бумаги 60x84 1/16 Объем 3,0 п.л.

Заказ Тираж 100 экз.

101475, Москва, А-55, ул.Образцова 15, Типографии МИИТа