автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Влияние динамических процессов в системе колесо-рельс на образование волнообразных неровностей на поверхности катания рельсов

004606650

На правах рукописи

АЛИЖАН АЛЛ!АС

ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ КОЛЕСО-РЕЛЬС НА ОБРАЗОВАНИЕ ВОЛНООБРАЗНЫХ НЕРОВНОСТЕЙ НА ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ РЕЛЬСОВ

05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

05.22.06 - «Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных

дорог»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2010

004606650

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ) на кафедре «Электрические машины»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Козырев Александр Иванович

Официальные опоненты: доктор технических наук, профессор

Сакало Владимир Иванович

кандидат технических наук, доцент Замуховский Александр Владимирович

Ведущая организация: ОАО НИИвагоностроения

Защита состоится «_»_2010 г. в_час._мин. на

заседании диссертационного Совета Д 218.005.01 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова д. 9, стр. 9, ГСП-4 ауд. 2505.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщений.

Автореферат разослан «_»_2010 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент /

Саврухин

Андрей Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В процессе эксплуатации на поверхности катания головки рельсов образуются различные дефекты. Давно известным дефектом поверхности катания головки рельсов является волнообразный износ. Волнообразный износ наносит большой экономический ущерб железнодорожному транспорту. При движении по рельсам с волнообразным износом увеличивается динамическое взаимодействие подвижного состава и пути и, как следствие, вибрация ходовых частей, элементов верхнего и нижнего строения пути. Это негативно влияет на надежность ходовых частей подвижного состава и техническое состояние пути в целом. Опыт эксплуатации показывает, что волнообразный износ сокращает на 25% срок службы рельсов и время между подбивкой шпал при текущем содержании, а также повреждает рельсовые скрепления. Волнообразному износу могут сопутствовать дефекты контактно-усталостного происхождения, приводящие к излому рельсов, что создаёт угрозу безопасности движения поездов. Кроме этого, повышается расход энергии на тягу поездов и шум вблизи железнодорожных магистралей, а также снижается уровень комфорта пассажирских перевозок. Особую актуальность указанные негативные аспекты приобретают для скоростных и высокоскоростных железнодорожных магистралей.

Целыо работы является исследование динамических процессов в системе «колесо-рельс» для выявления основных причин и условий образования волнообразных неровностей на поверхности катания рельсов, связи неровностей с параметрами ходовых частей подвижного состава и пути, а также скоростью движения.

Объектом исследования являются волнообразные неровности, зарегистрированные измерительной тележкой ТИВИР-1, на электрифицированных участках главных путей Московской железной дороги и на не электрифицированных участках главных путей Московской окружной железной дороги, а также эксплуатируемый на этих участках подвижной состав.

Предметом исследования являются динамические процессы в рельсе между смежными колесами на базе тележки, напряжённо-деформированное состояние зоны контакта колеса с рельсом, собственные формы вертикальных колебаний системы «ходовые части - путь».

Методы исследования основываются на элементах теории спектральной обработки сигналов, теории колебаний и волн, численном методе решения задач прикладной механики деформируемого твёрдого тела с использованием конечно-элементного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана конечно-элементная механико-математическая модель, позволяющей исследовать динамические процессы в рельсе между смежными колёсами тележек подвижного состава и выявить первопричину, инициирующую образование волнообразных неровностей на поверхности катания рельсов;

- определена функциональная связь параметров волнообразных неровностей с динамическими свойствами системы «ходовые части - путь» и скоростью движения.

Достоверность полученных результатов подтверждены корректностью применяемых автором математических методов расчёта с использованием программного комплекса «ANSYS» и пакета «Mathcad», а также адекватностью разработанной механико-математической модели, проверенной сравнением результатов расчета и данных эксперимента.

Практическая ценность работы:

- разработана методика расчёта интервалов оптимальных скоростей движения, в которых отсутствуют резонансные скорости, как основного условия образования волнообразных неровностей при динамическом взаимодействии подвижного состава и пути;

- для высокоскоростного электропоезда «Сапсан» (Velaro Rus) для летних и зимних условий эксплуатации рассчитаны интервалы оптимальных скоростей движения;

- выполнен анализ факторов, способствующих образованию волнообразного износа рельсов, и предложены мероприятия, сдерживающие возникновение этого дефекта.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на пяти научно-практических конференциях, VIII научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», 1-2 ноября 2007 года, Москва; научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития подвижного состава в Республике Казахстан и пути их решения», Алматы 2008г.; Всероссийской научно-технической конференции «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития», Екатеринбург 16-17 октябрь 2008 года.; IX научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», 30-31 октября 2008 года, Москва; международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ XXI ВЕКА», 13-14 ноября 2008 года, Хабаровск.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК по специальностям 05.22.07 -«Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация» 05.22.06 - «Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог».

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 107 наименований, 2 приложений; содержит 109 страниц основного текста, 16 таблиц и 52 рисунка.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы. Отмечен вклад в развитие общей теории взаимодействия подвижного состава и пути отечественных учёных: Лазаряна В.А., Меделя В.Б., Шахунянца Г.М., Иванова В.Н., Вериго М.Ф., Кудрявцева H.H., Богданова В.М., Ромена Ю.С., Яковлева В.Ф., Тибилова Т.А., Черкашина Ю.М., Бирюкова И.В.; зарубежных специалистов: Калкера И., Кильба Е., Кофмана И., Креттека О., Жоли Р. Проблемой образования волнообразного износа на поверхности катания рельсов, занимались отечественные и зарубежные специалисты. У нас можно отметить работы Альбрехта В.Г., Гойхмана Л.В., Зоткина Г.В., Кулагина М.И., Шафрановского А.К., Шестопалова В.И.. За рубежом этой проблемой занимались Алиа И., Вернер К., Грасси С., Джон сон К.Л., Каэсс Г., Кнотс К., Креттек О., Наяк П.Р., Хасс. и многие другие.

Сформулированы цель исследования и основные научные положения диссертационной работы.

В первой главе выполнен анализ видов волнообразных неровностей, которые впервые были обнаружен на рельсах трамвайных путей в 1895 году в г. Цинцинатти, а впоследствии — практически на всех железных дорогах в различных странах мира. Анализ выполненных исследований показал, что в зависимости от длины волнообразные неровности по видам необходимо разделять с учетом уровня динамического взаимодействия колеса с рельсом в зоне контакта, поскольку он зависит также от глубины неровностей и скорости движения. Волнообразные неровности целесообразно разделить на четыре вида: 1- с очень короткими длинами волн (0,02+0,1м - рифли) и глубиной 0,02+0.4мм; 2-е короткими длинами волн (0,1+0,Зм) и глубиной 0, И 1,2мм; 3 - со средними длинами волн (0,3+0,7м) и глубиной 0,4+2,5мм; 4 - с большими длинами волн (0,7+1,5м) и глубиной 0,3+4,0мм. По каждому виду волнообразных неровностей представлена их краткая характеристика, включающая внешние отличительные признаки и структурные изменения металла на поверхности катания рельсов, а также условия эксплуатации на участках пути, где они наиболее распространены.

Анализ негативных последствий взаимодействия подвижного состава и пути с волнообразным износом выполнен в нескольких аспектах.

Негативное влияние на путь проявляется в сокращении срока службы рельсов, возникновении в головке рельсов дефектов контактно-усталостного происхождения, расстройстве промежуточных рельсовых скреплений и снижении срока службы шпал, сокращении на 29+38% межремонтных циклов работ по выправке пути в профиле, накоплении остаточных деформаций в балластной призме с образованием просадок, выплесков и повышении динамических напряжений на основной площадке земляного полотна.

Негативное влияние волнообразный износ оказывает на подвижной состав, увеличивая ускорения буксовых узлов колёсных пар и корпусов опорно-осевых редукторов на тяговом подвижном составе, динамические нагруз-

ки в буксовой ступени рессорного подвешивания и в несущих элементах рам тележек, снижая их эксплуатационную надёжность.

Негативное влияние на окружающую среду и комфорт пассажирских перевозок проявляется в повышении уровня шума вблизи железнодорожных магистралей и внутри кузова пассажирского вагона или купе.

При движении подвижного состава по пути с волнообразным износом рельсов происходит дополнительный расход энергии на тягу поездов, точная количественная оценка которого представляет определённые трудности. Имеющиеся экспериментальные данные по замеру поглощаемой энергии колебаний на основной площадке земляного полотна, показали, что при скорости движения 43 км/ч, длине волны неровностей 0,3 м глубиной 0,5 мм поглощаемая энергия составляет около 0,7 Вт-ч/т-км. С увеличением только глубины неровностей до 2,0 мм при этой же скорости поглощаемая энергия возрастает на порядок.

С появлением волнообразного износа рельсов проводились экспериментальные и научно-исследовательские работы, в результате чего возникло много гипотез причин образования этого феномена. Выполненный анализ наиболее распространённых гипотез показывает, что некоторые из них выдвигаются произвольно в отрыве от экспериментальной базы и не дают однозначного объяснения первоначальным явлениям, инициирующим образование волнообразных неровностей и их дальнейшее развитие. Исходя из этого, формулируется цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена экспериментальному определению характеристик волнообразных неровностей на поверхности катания рельсов.

Достоверность получаемых результатов при проведении экспериментальных исследований зависит от выбора способа измерения волнообразных неровностей на рельсах. Анализ существующих способов измерений показал, что поставленной цели работы удовлетворял контактный способ непрерывного измерения неровностей по обеим рельсовым нитям ручной измерительной тележкой ТИВИР-1. Информация о неровностях записывалась на магнитные носители системного вычислительного блока тележки для дальнейшего спектрального анализа с помощью пакета обработки сигналов НПП «Мера». При спектральной обработке запись волнообразных неровностей ц(1) конечной длины £ квантовалась. Спектры сигналов для квантованных реализаций имеют вид

выборки процесса //(г) при / = 0,1,..., N -1 ; &1 = — - шаг дискретизации; N • количество дискретных значений в выборке.

лг-1 -А

- преобразование Фурье для дискретной

) = (1)

ь

На основе дискретного преобразования Фурье F(n,N) рассчитывались спектры мощности как усреднение по Л/ реализациям:

1 M I M ,2 1 i MI , ¡2

40^¿-^M^-IJ^y) =—■ ■ 2/V)| - (2)

где Fj{n,N)=±--F'j(n,N).

N

Сглаживание спектров выполнялось весовым окном Блэкмана-Хэрриса, описываемого функцией вида

IV, = А0-АГ + Л2 • сю^2 • ^^ - А} ■ сс^З • (3)

при / = 0,1,...,^-!; А0 =0,35873; 4=0,48829; Л2 =0.14128; Л3 =0,01168.

В работе анализировались амплитудные спектры волнообразных неровностей, которые рассчитывались через спектры мощности согласно выражению

V кум

где Л,,, АГЬ7М - коэффициенты для весового окна Блэкмана-Хэрриса.

При расчете амплитудных спектров неровностей рельсов необходимая длина Ь реализации >](!) определялась по формуле

25 Т

£ (5)

71

где Гн - наибольший значащий период неровностей, выделяемый в реализации ц(1).

Шаг квантования А1 рассчитывалась по формуле

А/-| , (6)

где Те - наименьший значащий период неровностей, выделяемый в реализации ц(!).

Волнообразные неровности регистрировались на электрифицированных участках главных путей Московской железной дороги с эксплуатацией только электропоездов серии ЭР2 и на не электрифицированных участках главных путей Московской окружной железной дороги, на которой выполняются грузовые перевозки на тяге тепловозами серии 2М62У. На этих участках пути профильная шлифовка рельсов рельсошлифовальными поездами до регистрации неровностей не производилась. Верхнее строение пути включало термоупрочненные рельсы типа Р65, сваренные в плети, железобетон-

ные шпалы с эпюрой 1840 шт/км и 2000 шт/км, типовые раздельные клемм-но-болтовых скрепления типа КБ, щебеночный балласт.

Спектральный анализ неровностей рельсов на участках с эксплуатацией электропоездов ЭР2 (рис. 1) показал, что на длинах волн, кратных базам тележек, имеются пики амплитуд неровностей. Численные значения длин волн, кратных базам тележек моторного и прицепного вагонов электропоезда ЭР2, приведены в таблице 1.

Рисунок 1 - Амплитудный спектр волнообразных неровностей на поверхности катания правой рельсовой нити

Таблица 1 - Длины волн X неровностей кратные базам тележек электропоезда ЭР2

№ МОТОРНЫЙ ВАГОН ПРИЦЕПНОЙ ВАГОН № МОТОРНЫЙ ВАГОН ПРИЦЕПНОЙ ВАГОН

база тележки (м) база тележки (м>

2,6 | 2,4 2,6 | 2,4

ДЛИНА ВОЛНЫ НЕРОВНОСТИ Л. (м) ДЛИНА ВОЛНЫ НЕРОВНОСТИ Л, (и)

1 2,6 2,4 16 0,165 0,15

2 1,3 1,2 17 0,152 0,141

3 0,866 0,8 18 0,144 0,133

4 0,65 0,6 19 0,136 0,126

5 0,52 0,48 20 0,13 0,12

6 0,433 0,4 21 0,123 0,114

7 0,371 0,342 22 0,118 0,109

8 0,325 0,3 23 0,113 0,104

9 0,288 0,266 24 0,108 0,1

10 0,26 0,24 25 0,104 0,096

11 0,236 0,218 26 0,1 0,0923

12 0,216 0,2 27 0,096 0,0888

13 0,2 0,184 28 0,092 0,085

14 0,185 0,171 29 0,089 0,0827

15 0,173 0,16 30 0,086 0,08

Аналогичные результаты получены на участках пути с грузовыми перевозками.

Таким образом, волнообразные неровности на поверхности катания рельсов представляют собой суперпозицию коротких непрерывных неровностей, длины волн которых кратны базам тележек эксплуатируемого подвижного состава на данном участке пути.

Третья глава посвящена методике теоретического исследования влияния динамических процессов в системе колесо-рельс на образование волнообразных неровностей рельсов. Основная задача заключалась в правильном выборе расчетной схемы и механико-математической модели, отражающей процессы в рельсе при его взаимодействии с колесом.

Из-за наличия шероховатости, волнистости и других неровностей на поверхностях катания рельсов и качения колёс при их взаимодействии зона контакта является источником вынужденных колебаний. Эти колебания согласно экспериментальным данным по спектральному составу вертикальных ускорений элементов верхнего строения пути и ходовых частей подвижного состава охватывают широкий диапазон частот, включая акустический. Вибрация в этом диапазоне существенно не влияет на разрушение или повышенный износ материалов до тех пор, пока на определённых частотах не возникнут резонансные явления с образованием стоячих волн. Они создают дополнительные чередующиеся области растягивающих и сжимающих напряжений и, как следствие, создают условия для возникновения повышенного неравномерного износа.

Из теории волн известно, что в колеблющихся упругих телах образуются механические бегущие волны от источника вынужденных колебаний. При прохождении через одну и ту же область нескольких волн при условии малых смещений сохраняется принцип суперпозиции.

Суперпозицию вертикальных гармонических колебаний в точках контакта 1 и 2 колеса с рельсом (рис. 2) можно представить в виде

сю

21(0»')= + > (7)

1=1

00

¡"=1

В однородной диспергирующей среде каждая гармоническая составляющая из суперпозиций гармонических колебаний (7,8) определяет свою собственную поперечную (вертикальную) гармоническую бегущую волну с волновым числом кп значение которого следует из дисперсионного соотношения

*/=*(«/)• (9)

Каждая частотная составляющая бегущей волны распространяется со своей собственной фазовой скоростью

О,-

V™~k( т,)

Рисунок 2 - Расчетная схема системы

При динамическом взаимодействии в рельсе от каждого колеса из зоны контакта распространяется суперпозиция механических бегущих волн Z\ (x,t) и z2(x,t):

оо

(*> t)= H {AU (©/ )cos[o,-i - А(ю,- )x] + Bu (о,- )sin [to, i - k{&i )*]}, (11) /=i 00

Z2 {x,t)=2 {A2i (® i )cosjt»,i + fc (ш ] + fi 2; (a;) s i n (ffl; i + k{mt ).y]} . (12)

1=1

Между смежными колёсами в рельсе вследствие интерференции (наложения когерентных волн) образуется суперпозиция стоячих волн, представляющая суперпозицию механических бегущих волн Z\(x,t)и z2(x,t) >

распространяющихся встречно, «

z}(x,t)+ z2(x,t) = £ {4,-(ш,-)cos[g>,-/ ,-)*]+ /l2i(co,)cos[©,i + ¿(ю,)дс]}+ /=1

со

+ J] a (Pi )sin[a,7- k{pi )л ]+ B2i (ш,- )sin[m(/ + к()х]} =

i=i

СО 00

- ^Сicos®¡tcosк(<я¡)х + YD;situs)jtcosк((й[)х.

i=i 1=1 (J

Образовавшаяся суперпозиция стоячих волн в рельсе между колесами, является суперпозицией его собственных форм вертикальных колебаний с образованием резонансных явлений на собственных частотах.

Исходя из этого, при теоретическом исследовании причин образования волнообразного износа рельсов расчетная схема представлена системой, со-

стоящей из смежных колес, передающих на рельс вертикальные нагрузки и находящихся между собой на расстоянии и рельса, опирающегося на шпалы через упругие прокладки (рис. 2).

Для исследования динамических процессов в акустическом диапазоне частот наиболее эффективным современным средством математического моделирования является метод конечных элементов. Для принятой расчётной схемы в программном комплексе «АК8У8» разработана её конечно-элементная механико-математическая модель (рис. 3), точно отражающая геометрию тел, характеристики материалов и связей, воздействие силовых факторов, граничные условия. Модель представлена системой, состоящей из смежных колес, отстоящих между собой на расстояние базы тележки и передающих через сформированные связанные контактные элементы вертикальные нагрузки на рельс типа Р65, который опирается на железобетонные шпалы через упругие прокладки.

Рисунок 3 - Конечно-элементная механико-математическая модель

Для исследования физических явлений в рельсе между смежными колёсами при динамическом взаимодействии ходовых частей подвижного состава и пути выполнен модальный анализ динамической модели с учётом действующих нагрузок в системе колесо-рельс в диапазоне частот 10-10000 Гц.

Опыт эксплуатации показывает, что уменьшение силы прижатия рельсов к подкладкам и шпалам (расстройство рельсовых скреплений), приводит к интенсивному образованию волнообразных неровностей независимо от конструкции верхнего строения пути. Поэтому модальный анализ выполнялся для двух вариантов: слабо прижатого и нормально прижатого к подкладкам рельса. Эти варианты моделировались с помощью задания соответствующих граничных условий.

Результаты модального анализа механико-математической модели для первого варианта (рис. 4) подтверждают образование мод вертикальных колебаний (стоячих волн) в рельсе. При этом номера мод соответствуют числу образовавшихся стоячих волн в рельсе.

Рисунок 4 - Моды вертикальных колебаний рельса, слабо прижатого к подкладкам: а) первая мода; б) десятая мода

Результаты модального анализа динамической модели для нормально прижатого к подкладкам рельса (рис. 5) показали, что в исследуемом диапазоне частот стоячие волны в рельсе не возникают и, как следствие, резонансы на соответствующих модах вертикальных колебаний.

Таким образом, модальный анализ конечно-элементной механико-математической модели показал, что в рельсе между смежными колёсами при ослабленных рельсовых скреплениях возникают резонансные явления (стоячие волны) на собственных частотах колебаний в отличие от рельса нормально прижатого к подкладкам.

Рисунок 5 - Моды вертикальных колебаний рельса, нормально прижатого к

подкладкам

Для исследования динамических процессов в рельсе между смежными колёсами в реальной системе и подтверждения достоверности выбранной механико-математической модели выполнялся расчёт для модели с ослабленными рельсовыми скреплениями при задании полигармонического возмущения. Возмущение задавалось в диапазоне частот 350+2100 Гц, включающем собственные частоты колебаний рельса с первой по десятую моды.

Динамические процессы в рельсе между смежными колёсами на резонансной и за резонансной частотах возмущений по первой моде колебаний

показаны на рис. 6, а на рис. 7 — образование стоячих волн в рельсе на резонансных частотах по третьей и пятой модам колебаний.

4------------------------------------------------------------------- б) —...................—........................................................

Рисунок 7 -Образование стоячих волн в рельсе между смежными колёсами на резонансной частоте колебаний по третьей (а) и по пятой (б) модам

Таким образом, на основании выполненного сравнения результатов, полученных при теоретическом исследовании, с результатами эксперимента можно сделать вывод, что разработанная механико-математическая модель адекватно отражает реальные динамические процессы в рельсе между смежными колёсами на базе тележек эксплуатируемого подвижного состава.

Для образования волнообразных неровностей наряду с возникновением резонансных явлений в рельсе между смежными колёсами (стоячих волн), необходимо наличие пластической деформация в зоне контакта, критерием оценки которой является уровень контактных напряжений. Поскольку экспериментальное определение контактных напряжений практически невозможно, то контактная задача решалась с помощью конечно-элементного моделирования. Количественная оценка объёмного напряжённо-деформированного состояния контактирующих материалов выполнялась для новых и приработанных профилей колеса и рельса. Расчеты проводились для колес электровозов диаметром 1250 мм при коэффициентах трения/=0,01 и/= 0,3 на контактной поверхности и для колес вагонов диаметром 950 мм при/=0,01. Вертикальная нагрузка на колесо изменялась в диапазоне 70^120 кН.

Рисунок 6 - Динамические процессы в рельсе между смежными колесами на резонансной (а) и »резонансной (б) частотах по первой моде колебаний

В условиях объёмного напряжённого состояния материалы колеса и рельса вблизи центра площадки контакта испытывают всестороннее сжатие, при котором они выдерживают довольно высокие напряжения. Согласно теории прочности Мора опасными являются не наибольшие нормальные напряжения, а наибольшие касательные напряжения. Для новых профилей колеса и рельса при малой силе трения (/= 0,01) в зоне контакта опасными по касательным напряжениям являются две области. Первая расположена на конце большой полуоси эллипса давления (рисунок 8,а), то есть на поверхности контакта (поверхностные контактные напряжения), а вторая - внутри каждого из взаимодействующих тел (рисунок 8,6) в областях, расположенных на определённой глубине (глубинные контактные напряжения).

Рис. 8 - Области с наибольшими касательными напряжениями (красные зоны) для новых профилей колеса и рельса: а) на поверхности контакта; б) внутри взаимодействующих тел

При передаче тягового или тормозного моментов (/^О.З) в зоне контакта наряду с нормальными силами возникают тангенциальные силы, которые изменяют распределение поверхностных и глубинных контактных напряжений. Также меняются расположение и величина максимальных касательных напряжений (рис.9), а также соотношение между поверхностными и глубинными контактными напряжениями.

Рис. 9 - Напряжённо-деформированное состояние зоны контакта: а) при коэффициенте трения/=0,01; б) при коэффициенте трения/=0,3

Оценка напряжённого состояния выполнялась из условия пластичности Мизеса-Генки по эквивалентным напряжениям

= ^^Ру-^2)2 + (<*2 - о3)2 + (о3 - о, )2 . (14)

Анализ результатов расчёта (рисунок 10) показывает, что наибольшие напряжения возникают в случае контакта новых профилей рельсов и вагонных колёс (кривая 5), а также колёс электровозов в режиме тяги (/=0,3, кривая 3), при котором эквивалентные напряжения увеличиваются в среднем на 30%, по сравнению с режимом выбега (кривая 2).

СТг>5Ш

Рисунок 10 - Зависимости эквивалентных напряжений от нагрузки на колесо: 1 - приработанный профиль колеса электровоза (/=0.01); 2 - новый профиль колеса электровоза (/=0.01); 3 - новый профиль колеса электрокоза (/==0-3); 4 - приработанный профиль колеса вагона; 5 - новый профиль колеса вагона; б - предел текучести рельсовой стали

В процессе эксплуатации происходит приработка контактирующих профилей и, как следствие, увеличение площади контакта и снижение эквивалентных напряжений, что видно из представленных зависимостей. Однако и для приработанных профилей имеет место пластическая деформация, поскольку эквивалентные напряжения превышают предел текучести рельсовой стали (400 МПа). Следовательно, выполняется одно из необходимых условий для образования волнообразных неровностей на поверхности катания рельсов,

В четвертой главе исследовано влияние параметров динамической системы «ходовые части - путь» и скорости движения на образование волнообразных неровностей на поверхности катания рельсов.

Для определения функциональной связи образующихся волнообразных неровностей на поверхности катания рельсов с параметрами ходовых частей эксплуатируемого подвижного состава, пути и скоростью движения выполнен расчет собственных частот и форм вертикальных колебаний динамиче-

ской системы «ходовые части - путь» в среде «МаИтсас!». В качестве расчётной принята линейчатая схема системы, учитывающая колебания тележки, колёсной пары (неподрессоренных масс), приведённой к колёсной паре массы пути с учётом жёсткости контакта и которая описывается системой однородных дифференциальных уравнений

мт±1+сьгт-сьгкр = о;

мК„гкр + (ск + сь )гкр -сьгт- скгр = о; (15) тргр+{ср+ск)гр-ск2кр=о.

Собственные формы вертикальных колебаний динамических моделей для моторного и прицепного вагонов электропоезда ЭР2, тепловоза 2М62У, грузового и рефрижераторного вагонов показаны на рис. 11, а соответствующие этим формам собственные (резонансные) частоты - в табл. 2. Анализ результатов модального анализа показывает, что «мода 0» определяет главную форму колебаний с собственной частотой подпрыгивания тележки и не оказывает влияния на вертикальные колебания неподрессоренных масс {1кр) и массу пути ^р). Вектор «мода 1» определяет главную форму колебаний,

при которой происходят синфазные колебания неподрессоренных масс и массы пути на вертикальной жёсткости подрельсового основания. Вектор «мода 2» определяет главную форму колебаний, при которой возникают противофазные колебания неподрессоренных масс на пути и приведённой массы пути. Следовательно, при исследовании динамических процессов в системе колесо-рельс определяющими являются резонансные частоты по «моде 1» и «моде 2».

мода 0 мода! мода 2

Рисунок 11 - Моды колебаний динамических моделей «ходовые части - путь»

Мода Электропоезд ЭР2 Тепловоз Вагон Вагон

колебаний моторный прицепной 2М62У грузовой рефрижератор

Мода 0 3,9 5,4 2,9 5,1 5,4

Мода 1 32,3 34,5 25,9 33,0 34,5

Мода 2 197,7 209,1 159,2 197,8 211,1

Если при движении собственные частоты вертикальных колебаний не-подрессоренных масс по модам 1 и 2 совпадают с частотами прохода смежными колёсами неровностей из образующейся суперпозиции стоячих волн в упруго деформированном рельсе, то в нём возникают дополнительные резонансные явления с образованием резонирующих стоячих волн. Скорости движения, на которых происходит образование в рельсе резонирующих стоячих волн, являются резонансными. На длине этих резонирующих стоячих волн, сравнительно с другими длинами стоячих волн в рельсе, в зоне контакта увеличиваются динамические силы и напряжения, которые увеличивают пластическую деформацию на поверхности катания рельса. Динамическая система, состоящая из смежных колёс тележки и заключенного между ними упруго деформированного рельса, представляет собой колебательную систему с резко выраженными резонансными свойствами.

Резонансные явления в рельсе между смежными колёсами тележек при динамическом взаимодействии ходовых частей с верхним строением пути возникают всегда, но они являются лишь необходимым, но не достаточным условием образования и дальнейшего развития волнообразных неровностей при эксплуатации. Достаточным условием для образования волнообразных неровностей рельсов является эксплуатация на участке пути однотипного подвижного состава в узком диапазоне скоростей движения, включающим резонансные скорости движения.

Резонансные скорости движения определялись на основании рассчитанных для мод 1 и 2 собственных частот колебаний динамической модели «ходовые части - путь» (таблица 2), известных длин стоячих волн Х^ которые кратны базам тележек подвижного состава, и эксплуатационного диапазона скоростей движения на данном участке пути. Резонансные скорости движения определялись как:

Ур1=1сп-Ь, (16)

где /С)! - собственная частота вертикальных колебаний динамической модели «ходовые части - путь»; п = 1,2..., - номер моды колебаний; Я, - длина волны неровности, соответствующая г -ой моде колебаний рельса.

Амплитудный спектр волнообразных неровностей для одной из рельсовых нитей на участке пути, где эксплуатируются только электропоезда серии ЭР2, представлен на рис. 12, а полигон скоростей движения - на рис. 13. Резонансные скорости движения электропоездов ЭР2, рассчитанные по формуле 6, приведены в таблице 3. Из анализа амплитудного спектра неровно-

стей и данных таблицы 4.3 следует, что неровности с длинами волн 0,65м и 0,6м, а также неровности с длинами волн 0,104м и 0,10м образовались при многократном проходе по данному участку пути электропоездов с резонансной скоростью 75,5 км/ч (20,9 м/с). При движении с этой скоростью собственные частоты вертикальных колебаний в динамической системе «ходовые части - путь» по первой и второй модам совпадают с частотами прохода смежными колёсами неровностей, длины которых из образующейся суперпозиции стоячих волн в упруго деформированном рельсе соответствуют четвёртой моде. При этом неровности с длинами волн 0,65м и 0,104м образовались при взаимодействии с путём ходовых частей моторных вагонов, а неровности с длинами волн 0,6м и 0,10м - ходовых частей прицепных вагонов электропоезда. Подобный анализ для неровностей с длинами волн 0,52м и 0,48м, а также неровностей с длинами волн 0,084м и 0,079м показывает, что эти неровности образовались при многократном проходе на этом участке пути электропоездов с резонансной скоростью 60,4 км/ч (16,7 м/с).

0,66 0,33 0,22 0,166 0,133 0,111 0,095 0,083 0,066 0,055 ^м

Рис. 12 - Амплитудный спектр неровност ей правой рельсовой нити

50

■Я 40

о 30

(о 20

я т 10

0

, .

• |

Л* • 1

, 1

г;

□ Ряд

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 V, км/ч

Рис. 13 - Полигон скоростей движения электропоездов ЭР2 Таблица 3 - Резонансные скорости движения электропоезда ЭР2

Резонансные скорости км/ч (и/с) Тележка моторного вагон а Тележка прицепного вагона

Мода 1 (32,3 Гц) Мода 2 (197,7 Гц) Мода 1 (34,5 Гц) Мода 2 (209,1 Гц)

1 2 3 4 5

Ур3 = 100,0 (27,7) 0,86 0,140 0,8 0.131

1^ = 75,5(20,9) 0,65 0,104 0,60 0,10

Уг,= 60,4 (16,8) 0,52 0,084 0,48 0,079

К„„= 50,3 (13,9) 0,433 0,070 0,4 0,066

Ур7 = 43,1(12,0) 0,371 0,060 0.342 0,057

= 37,8 (10,4) 0,325 0,053 0,300 0,049

Уру = 33,6 (9,33) 0,289 0,047 0,268 0,044

У„,= 30,2 (8,4) 0,26 0,042 0,24 0,040

К,,, = 27,4 (7,6) 0,236 0,038 0,218 0,036

К,,: = 25,1 (6,97) 0,216 0,035 0,2 0,033

Ус13 = 23,2(6,46) 0,2 0,032 0,184 0,030

Анализ представленных данных показывает, что параметры образовавшихся на поверхности катания рельсов волнообразных неровностей связаны с базой тележек подвижного состава, динамическими свойствами системы «ходовые части - путь» и со скоростями движения на участке пути. Это подтверждается также результатами исследований, полученными на участках пути с грузовым движением на Московской окружной железной дороге.

Резонансные скорости движения являются главным условием образования волнообразных неровностей рельсов. Однако наряду с этим, необходимо наличие определённых условий эксплуатации, связывающих между собой способствующие образованию и последующему развитию неровностей факторы подвижного состава и верхнего строения пути. Эти факторы определены на основании выявленных главных причин, инициирующих образование волнообразного износа в системе «колесо-рельс» при динамическом взаимодействии подвижного состава и пути, и представлены по степени значимости в таблице 4.

Таблица 4 - Факторы, способствующие образованию волнообразных неровностей на поверхности катания рельсов

ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ •*— УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ — »• ВЕРХНЕЕ СТРОЕНИЕ ПУТИ

ШЕРОХОВАТОСТЬ. ВОЛНИСТОСТЬ И ДЕФЕКТЫ НА ПОВЕРХНОСТИ КАЧЕНИЯ КОЛЕС ОДНОРОДНЫЕ ПЕРЕВОЗКИ ОДНОТИПНЫМ ШЕРОХОВАТОСТЬ. ВОЛНИСТОСТЬ и ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НЕРОВНОСТИ НА ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ РЕЛЬСОВ

ОСЕВАЯ НАГРУЗКА ПОДВИЖНЫМ СОСТАВОМ ОСЛАБЛЕНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ РЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ

ВЕЛИЧИНА НЕПОДРЕССОРЕННЫХ МАСС УЗКИЙ ДИАПАЗОН СКОРОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ (ВКЛЮЧАЯ РЕЗОНАНСНЫЕ) НА УЧАСТКЕ ПУТИ РЕЛЬСЫ ВЕЗ ТЕРГИОБРАБОТКИ

ТЯГОВЫЕ ПРИВОДЫ С ОПОРНО-ОСЕВЫМИ РЕДУКТОРАМИ РЕЖИМ ДВИЖЕНИЯ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НАЛИЧИЕ НА ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ АБРАЗИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

КОЛОДОЧНЫЕ ТОРМОЗА СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ В КРИВЫХ ВНУТРЕННИЕ ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В РЕЛЬСАХ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ

На основании выполненного исследования предложены мероприятия, исключающие или сдерживающие образование волнообразных неровностей. Мероприятием, исключающим образование волнообразных неровностей, является эксплуатация подвижного состава в интервалах оптимальных скоростей движения, то есть в интервалах, где отсутствуют резонансные скорости. Так, согласно данных таблицы 4.3 для электропоездов серии ЭР2 с конструкционной скоростью 130 км/ч интервалами оптимальных скоростей движения при эксплуатации со скоростями более 50 км/ч являются следующие: 51+59 км/ч; 61+74 км/ч; 76+99 км/ч и свыше 100 км/ч. При движении со скоростями 50+30 км/ч интервалы сужаются, а при скоростях менее 30 км/ч практически отсутствуют.

Поэтому для сложившихся условий эксплуатации и невозможности выдерживать на участках пути скорости движения в оптимальных интервалах необходимо проводить мероприятия, сдерживающие образование волнообразных неровностей на поверхности катания рельсов. К ним относятся -профильное шлифование новых рельсов в пути рельсошлифовальными поездами для устранения поверхностного обезуглероженного слоя и технологических неровностей, а также профилактическое шлифование рельсов по устранению уже образовавшегося волнообразного износа; термическое упрочнение рельсов; регулярная обточка колёсных пар для ликвидации дефектов на их поверхности качения. Эти мероприятия снижают уровень динамического взаимодействия ходовых частей и пути, контактные напряжения, интенсивность образования неровностей, препятствуют ослаблению промежуточных рельсовых скреплений. Сдерживающие мероприятия, касающиеся конструктивных изменений ходовых частей, тягового привода на эксплуатируемом электроподвижном составе не представляется возможным.

С вводом в эксплуатацию высокоскоростного электропоезда «Сапсан» (Velaro RUS) производства компании Siemens AG на линии Москва - Санкт-Петербург мероприятия, исключающие или сдерживающие образование волнообразных неровностей на поверхности катания рельсов, приобретают особую актуальность. В частности, основным мероприятием является определение интервалов оптимальных скоростей движения, исключающих резонансные скорости движения и, как следствие, - условия для образования волнообразных неровностей при динамическом взаимодействии подвижного состава и пути. С этой целью для тележек моторных и прицепных вагонов электропоезда «Сапсан» определены резонансные скорости движения (табл. 5) для летних условий эксплуатации.

Таблица 5 — Резонансные скорости движения электропоезда «Сапсан» для летних условий эксплуатации (С, = 20*104 кН/м)

Номер моды колебапий рельса Моторный вагон Прицепной вагон

Резонансная скорость км/ч (м/с) Мода 1 35,5 Гц Мода 2 219 Гц Резонансная скорость км/ч (м/с) Мода 1 37,4 Гц Мода 2 230,8 Гц

1 330 (91,78) 2,6 0,419 350 (97,24) 2,6 0,421

2 165 (45,9) 1,3 0,209 175 (48,6) 1,3 0,210

3 110 (30,6) 0,86 0,139 115 (32,16) 0,86 0,139

4 82,6 (22,9) 0,65 0,104 87,5 (24,3) 0,65 0,105

5 66,0 (18,3) 0,52 0,083 69,8 (19,4) 0,52 0,084

На 85% протяжённости магистрали Москва - Санкт-Петербург электропоезда будут следовать с максимальной скоростью 200 км/ч и, следовательно, попадать в интервал оптимальных скоростей движения (свыше 176 км/ч), в котором не создаются условия для образования волнообразных неровностей на поверхности катания рельсов.

При эксплуатации в зимний период возрастает вертикальная жёсткость подрельсового основания, что увеличивает значения собственных частот колебаний неподрессоренных масс моторных и прицепных вагонов электропоезда и, как следствие, изменяет резонансные скорости движения. Графики зависимости резонансных скоростей движения электропоезда «Сапсан» при изменении вертикальной жёсткости пути приведены на рис. 14.

Конструкционная скорость

Ср,-10' кН/м

Рисунок 14 — Графики зависимости резонансных скоростей движения электропоезда «Сапсан» при изменении вертикальной жёсткости пути

Таким образом, эксплуатация подвижного состава в интервалах оптимальных скоростей движения позволит применять в меньших объёмах шлифовку рельсов в пути, расходы на которую составляют 15+20% всех затрат на его текущее содержание.

При разработке нового высокоскоростного электроподвижного состава возможна корректировка интервалов оптимальных скоростей изменением отдельных параметров ходовых частей, в частности, базы тележки. Кроме того, сдерживающими мероприятиями являются уменьшение осевых нагрузок и неподрессоренных масс ходовых частей, переход на опорно-рамный тяговый привод.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выявлены первопричины, инициирующие образование волнообразных неровностей на поверхности катания рельсов при динамическом взаимодействии ходовых частей подвижного состава и пути.

2. Установлено, что волнообразный износ на поверхности катания рельсов является суперпозицией коротких непрерывных неровностей, длина ко-

торых кратна расстоянию между смежными колёсами тележек эксплуатируемого подвижного состава.

3. Расчёт объёмного напряжённо-деформированного состояния зоны контакта колеса с рельсом методом конечных элементов установил наличие в ней пластической деформации при существующих осевых нагрузках и диаметрах колёс как необходимого условия образования волнообразных неровностей.

4. Определена функциональная связь параметров образовавшихся волнообразных неровностей с динамическими свойствами системы «ходовые части - путь» и скоростью движения.

5. Выполнен анализ факторов, способствующих образованию волнообразного износа рельсов, и предложены мероприятия, сдерживающие возникновение этого дефекта для существующих условий эксплуатации на железных дорогах РФ.

6. Разработана методика расчёта интервалов оптимальных скоростей движения, где отсутствуют резонансные скорости, как основного условия образования волнообразных неровностей при динамическом взаимодействии подвижного состава и пути.

7. Применительно к высокоскоростному электропоезду «Сапсан» (Velara Rus) для летних и зимних условий эксплуатации рассчитаны интервалы оптимальных скоростей движения.

8. Установлено, что изменение ширины интервалов оптимальных скоростей движения при прочих равных условиях находится в прямо пропорциональной зависимости от изменения базы тележек эксплуатируемого подвижного состава.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Козырев А. И., Алижан А. Аспекты негативного влияния волнообразного износа рельсов при скоростном и высокоскоростном движении// Труды VIII научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - М.: МИИТ, 2007. c.IÍ-6-41-7.

2. Козырев А. И., Алижан А. Способы измерения волнообразных неровностей рельсов // Труды XI научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - М.: МИИТ, 2008. с. III - 2.

3. Козырев А. И., Алижан А. Виды и характеристика волнообразных неровностей рельсов // Проблемы и перспективы развития подвижного состава в Республике Казахстан и пути их решения: Мат. науч.-практ. конф. посвящ. 30-летию кафедры «Локомотивы» Каз АТК, г. Алматы, Информ-Арна, Алма-ты, 2008.- 148 с.

4. Козырев А. И., Алижан А. Динамические процессы в рельсах между смежными колесами // Труды Всероссийской научно-технической конференции «ТРАНСПОРТ, НАУКА, БИЗНЕС: ПРОБЛЕМЫ И СТРАТЕГИЯ РАЗВИТИЯ». - Екатеринбург: УрГУПС, 2008. с.28.

5. Козырев А. И., Алижан А. Динамические процессы в системе колесо-рельс тележечных экипажей // Труды международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ XXI ВЕКА», выпуск 5., Хабаровск: ДВГУПС, 2008. с.145-147.

6. Алижан Алмас., Адильханов Е. Г. Исследование влияния волнообразных неровностей поверхности качения рельсов на динамику рельсовых экипажей // Вестник Казахской академии транспорта и коммуникации им. М. Тыныш-паева. Казахстан - Алматы, 2008. №6 с.80-86.

7. Козырев А. И., Алижан А. К вопросу о причинах волнообразных неровностей И Журнал «Мир транспорта», М. 2009. №2 с.8-11.

8. Козырев А.И., Алижан А. Расчёт напряжённо-деформированного состояния колеса и рельса в зоне контакта // Журнал «Железнодорожный транспорт», М., 2009. №12. с. 41-43.

Алижан Алмас

ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ КОЛЕСО-РЕЛЬС НА ОБРАЗОВАНИЕ ВОЛНООБРАЗНЫХ НЕРОВНОСТЕЙ НА ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ РЕЛЬСОВ

Специальности

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация;

05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных

дорог

Подписано к печати 25.05> 10. Формат бумаги 60x84/16 Объем 1,5 пл. Заказ № 3&3 Тираж 80 экз.

127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ГСП-4. Типография МИИТа.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА И ПУТИ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО ВОЛНООБРАЗНЫМ НЕРОВНОСТЯМ РЕЛЬСОВ.

1-1 Виды неровностей и их характеристики.

1.2 Анализ негативных последствий взаимодействия подвижного состава и пути с волнообразным износом ^ рельсов.

1-3 Гипотезы причин образования волнообразных неровностей рельсов.

1-4 Цель и задачи исследования.

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛНОБРАЗНЫХ НЕРОВНОСТЕЙ НА ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ РЕЛЬСОВ.

2.1 Выбор способа измерений волнообразных неровностей.

2.2 Методика статистической обработки экспериментальных данных о волнообразных неровностях на поверхности катания головки рельсов.

2.3 Результаты экспериментальных исследований на пути.

3 МЕТОДИКА ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ КОЛЕСО-РЕЛЬС НА ОБРАЗОВАНИЕ ВОЛНООБРАЗНЫХ НЕРОВНОСТЕЙ.

3.1 Выбор расчетной схемы и разработка механико-математической модели.

3.2 Модальный анализ механико-математической модели.

3.3 Сравнение результатов расчета механико-математической модели при задании полигармонического возмущения с результатами эксперимента.

3.4 Методика расчёта напряжённо-деформированного состояния в зоне контакта колеса с рельсом.

4 ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «ХОДОВЫЕ ЧАСТИ - ПУТЬ» НА ОБРАЗОВАНИЕ ВОЛНООБРАЗНЫХ НЕРОВНОСТЕЙ НА ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ РЕЛЬСОВ.

4.1 Определение собственных частот и форм колебаний динамической системы «ходовые части - путь».

4.2 Определение функциональной связи параметров волнообразных неровностей с динамическими свойствами системы «ходовые части - путь» и скоростью движения.

4.3 Факторы, способствующие образованию волнообразных неровностей на поверхности катания рельсов.

4.4 Мероприятия, исключающие или сдерживающие образование волнообразных неровностей на поверхности катания рельсов

В процессе эксплуатации железнодорожного пути на поверхности катания головки рельсов образуются различные дефекты. Основным и давно известным дефектом поверхности катания головки рельсов является волнообразный износ. Волнообразный износ наносит большой экономический ущерб железнодорожному транспорту. При движении по рельсам с волнообразным износом увеличивается динамическое взаимодействие подвижного состава и пути и, как следствие, вибрация ходовых частей, элементов верхнего и нижнего строения пути. Это негативно влияет на надежность механической части подвижного состава и техническое состояние пути в целом. Опыт эксплуатации показывает, что волнообразный износ сокращает на 25% срок службы рельсов и время между подбивкой шпал при текущем содержании, а также повреждает рельсовые скрепления. Волнообразному износу могут сопутствовать дефекты контактно-усталостного происхождения, приводящие к излому рельсов, что создаёт угрозу безопасности движения поездов. Кроме этого, повышается расход энергии на тягу поездов и шум вблизи железнодорожных магистралей, а также снижается уровень комфорта пассажирских перевозок. Особую актуальность названные негативные аспекты приобретают для скоростного и высокоскоростного подвижного состава.

Вопросам общей теории взаимодействия подвижного состава и пути посвящены труды многих отечественных и зарубежных специалистов. Большой вклад в эту область науки внесли Бирюков И.В., Богданов В.М., Вериго М.Ф., Иванов В.Н., Коган А.Я., Кудрявцев Н.Н., Лазарян В.А., Медель В.Б., Ромен Ю.С., Тибилов Т.А., Черкашин Ю.М., Шахунянц Г.М., Яковлев В.Ф., зарубежные учёные Калкер И., Кильб Е., Кофман И., Креттек О., Жоли Р. и другие.

Проблемой, связанной с образованием волнообразного износа на поверхности катания рельсов, занимались зарубежные и отечественные специалисты. У нас можно отметить работы Альбрехта В.Г., Гойхмана JI.B., Зоткина Г.В., Кулагина М.И., Шафрановского А.К., Шестопалова В.И. и других. За рубежом этой проблемой занимались Алиа И., Вернер К., Грасси С., Джонсон K.JL, Каэсс Г., Кноте К., Креттек О., Наяк П.Р., Хасс. и многие другие.

В настоящее время существует много гипотез образования волнообразных неровностей. Однако их недостатком является то, что они не дают однозначного объяснения первоначальным процессам, которые инициируют возникновение неровностей и их последующее развитие. Кроме того, некоторые гипотезы выбираются произвольно и в отрыве от экспериментальной базы.

Целью настоящей работы является исследование динамических процессов в системе «колесо-рельс» для определения основных причин, инициирующих образование волнообразных неровностей на рельсах, и функциональной связи этих неровностей с параметрами ходовых частей подвижного состава и пути, а также скоростью движения.

Объектом исследования являются волнообразные неровности, зарегистрированные измерительной тележкой ТИВИР-1, на электрифицированных участках главных путей Московской железной дороги и на не электрифицированных участках главных путей Московской окружной железной дороги, а также эксплуатируемый на этих участках подвижной состав.

Основой исследования влияния динамических процессов в системе колесо-рельс на образование волнообразного износа рельсов является математическое моделирования колебательных процессов в связанной динамической системе «ходовые части - путь» с использованием численных методов решения задач механики деформируемого твёрдого тела на основе современных компьютерных технологий. Сопоставлением результатов математического моделирования с результатами экспериментальных исследований устанавливается степень достоверности выбранной конечно-элементной механико-математической модели.

Выполненные экспериментальные и теоретические исследования позволили выявить главные причины, инициирующие образование волнообразного износа при динамическом взаимодействии подвижного состава и пути, а также установить функциональную связь параметров образовавшихся волнообразных неровностей с динамическими свойствами системы «ходовые части — путь» и скоростью движения. На основании этого выполнен анализ факторов, способствующих образованию волнообразного износа рельсов, и разработаны мероприятия, сдерживающие образование волнообразных неровностей для существующих условий эксплуатации на железных дорогах РФ.

Применительно к высокоскоростному электропоезду «Сапсан» (Velaro Rus) производства компании Siemens AG для летних и зимних условий эксплуатации рассчитаны интервалы оптимальных скоростей движения, в которых отсутствуют резонансные скорости, как основного условия образования волнообразных неровностей при динамическом взаимодействии подвижного состава и пути. При этом изменение ширины интервалов оптимальных скоростей движения при прочих равных условиях находится в прямо пропорциональной зависимости от изменения базы тележек подвижного состава.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выявлены первопричины, инициирующие образование волнообразных неровностей на поверхности катания рельсов при динамическом взаимодействии ходовых частей подвижного состава и пути.

2. Установлено, что волнообразный износ на поверхности катания рельсов является суперпозицией коротких непрерывных неровностей, длина которых кратна расстоянию между смежными колёсами тележек эксплуатируемого подвижного состава.

3. Расчёт объёмного напряжённо-деформированного состояния зоны контакта колеса с рельсом методом конечных элементов определил наличие в ней пластической деформации при существующих осевых нагрузках и диаметрах колёс как необходимого условия образования волнообразных неровностей.

4. Определена функциональная связь параметров образовавшихся волнообразных неровностей с динамическими свойствами системы «ходовые части — путь» и скоростью движения.

5. Выполнен анализ факторов, способствующих образованию волнообразного износа рельсов, и разработаны мероприятия, сдерживающие возникновение этого дефекта для существующих условий эксплуатации на железных дорогах РФ.

6. Разработана методика расчёта интервалов оптимальных скоростей движения, где отсутствуют резонансные скорости, как основного условия образования волнообразных неровностей при динамическом взаимодействии подвижного состава и пути.

7. Применительно к высокоскоростному электропоезду «Сапсан» (Velaro Rus) для летних и зимних условий эксплуатации рассчитаны интервалы оптимальных скоростей движения.

8. Установлено, что изменение ширины интервалов оптимальных скоростей движения при прочих равных условиях находится в прямо пропорциональной зависимости от изменения базы тележек эксплуатируемого подвижного состава.

1. Александров А. И., Грачев В. Ф. Применение метода конечных элементов в задаче о контакте колеса и рельса// Проблемы динамики и прочности железнодорожного состава: Межвуз. сб. науч. тр. Днепропетровск, 1981. -Вып. 220/28.-С. 116-122.

2. Абдурашитов А.Ю. Профильное шлифование как один из факторов продления срока службы рельсов в пути. Вестник ВНИИЖТ, 2000, № 6, с.28-33.

3. Ахметзянов М.Х. О механизме развития контактно-усталостных повреждений в рельсах. Вестник ВНИИЖТ, 2003, № 2, с. 41-45.

4. Барабошин В. Ф. О накоплении остаточных деформаций в балласте при наличии неровностей на рельсе. «Вестник ЦНИИ МПС», 1967, № 3.

5. Басов К. А., Графический интерфейс комплекса ANSYS. М.: ДМК Пресс, 2006.248 е., ил.

6. Беляев Н.М. Труды по теории упругости и пластичности. М.: Гостехиздат, 1957, стр. 632.

7. Богданов В.М., Марков Д.П., Жаров И.А., Захаров С.М. Относительное проскальзывание в точках контакта колеса с рельсом. — Вестник ВННИЖТ, 1999, №3, с. 6-10.

8. Бирюков И.В., Беляев А.И., Рыбников Е.К. Тяговые передачи электроподвижного состава железных дорог. М.: Транспорт, 1986. - 256 с.

9. Буйносов А.П. Взаимодействие колеса и рельса.- Путь и путевое хозяйство, № 5, 1999, С. 22-25.

10. Вериго М.Ф., Коган А .Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. — М.: Транспорт, 1986. 559 с.

11. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. - М.: Наука, 1979.-384 с.

12. Головин А., Елсуков В., Головин П., Мартьянов В. Эффективность резиновых прокладок под основание пути для снижения вибрации. — Метрострой, № 8, 1982, с. 23-24.

13. Грузовые вагоны колеи 1520 мм железных дорог СССР /Альбом-справочник/ - М.: Транспорт, 1989, 92 с.

14. Джанколи Д. Физика: Т.1: Пер. с англ. -М.: Мир, 1989. - 656 с.

15. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1971-1972, т.1,2, с. 605.

16. Дружинин Ю.А., Вадужев Ю.Г., Сухих Р.Д. О стационарности и эргодичности процессов на входах путеизмерительных систем,- Вестник ВНИИЖТ, №3, 1971, с. 45-48.

17. Евдокимов Б.А. О влиянии упругих прокладок на работу пути. «Вестник ЦНИИ МПС», 1967, № 1.

18. Ермаков В.М., Давыдов А.К. Испытываются клеммы Ski 12-32. Путь и путевое хозяйство, 1996, № 8, с. 16-17.

19. Жугла Ж. Современные конструкции пути метрополитена.- Железные дороги мира, 1984, № 6, с. 50-52.

20. Жуковский Н.Е. Теория прибора инженера Ромейко-Гурко. Собр. соч., т. III, М-Л.: ГТТИ, 1949, с. 329-333.

21. Жуковский Н.Е. Трение бандажей железнодорожных колёс о рельсы. Собр. соч., т. VII, М-Л.: ГТТИ, с. 426-478.

22. Каплун А. Б., Морозов Е. М., Олферьева М. A., «ANSYS в руках инженера» Практическое руководство. Изд. 2-е, испр. М.: Едиториал УРСС, 2004. -272 с.

23. Каэсс Г. Результаты исследований волнообразного износа рельсов на опытных участках пути.- Железные дороги мира, № 10, 1984, С. 23^-27.

24. Кирьянов Д.В. Mathcad 13. СПб.: БХВ-Петербург, 2006 - 608 е.: ил.

25. Коган А.Я., Пейч Ю.Л. Расчёт нестационарного напряжённо-деформированного состояния элементов конструкции пути в зоне стыка рельса. Вестник ВНИИЖТ - 2002, №2 - с. 31-39.

26. Козырев А.И. От чего зависят короткие непрерывные неровности на рельсах.// Путь и путевое хозяйство 2003, № 11 - с. 11-14.

27. Коншин Г.Г. Расчет ударно-динамических напряжений на основной площадке. Путь и путевое хозяйство, № 2, 2000, с. 28-30.

28. Коншин Г.Г. Ударно-динамические напряжения на основной площадке. -Путь и путевое хозяйство, № 12, 1999, с. 16-21.

29. Кондратьев Д.В. Рельсошлифовальный поезд РШП-48.- Путь и путевое хозяйство, № 7, 1999, С. 2-3.

30. Крауфорд Ф. Волны: Пер. с англ.- М.: Наука, 1974. - 329 с.

31. Крысанов Л.Г. Эффективность профильной обработки рельсов. Путь и путевое хозяйство, 1996, №12, с. 2-6.

32. Кудрявцев Н.Н. Динамические исследования вагонных осей. Труды ЦНИИ МПС, вып. 105. «Транспорт», 1965.

33. Кулагин М.И. Неровности на поверхности катания рельсов и их влияние на динамическое давление колеса на рельс. Труды ВНИИЖТ.-М.: Трансжелдориздат, вып. 177, 1959, с.5-93.

34. Кулагин М.И., Кац Э.И., Тюриков В.Н. Волнообразный износ рельсов.-М.: Транспорт, 1970, 144 с.

35. Лукьянов А.В. Начальные продольные неровности на рельсах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. ЦНИИ МПС, 1968.

36. Лукьянов А.В. Образование переменной неравномерности качества рельса по длине в процессе его изготовления. Труды ЦНИИ МПС, вып. 177, 1959, с.

37. Лукьянов А.В. Образование продольных неровностей на головке рельсов в процессе их прокатки. Труды ЦНИИ МПС, вып. 292, 1965, с.

38. Машиностроение. Энциклопедия. Измерения, контроль, испытания и диагностика. T.III-7/B.B. Клюев, Ф.Р. Соснин, В.Н. Филинов и др.; Под общ. ред. В.В. Клюева.- М.: Машиностроение, 1996. 464 с.

39. Морозов Е. М., Муйземнек А. Ю., Шадский А. С., «ANSYS в руках инженера»: Механика разрушения. -М.: ЛЕНАНД, 2008.- 456 с.

40. Пашолок И. Л., Харитонов В.Б. О возможном повышении износостойкости железнодорожных колес. — Вестник ВНИИЖТ, 1997, № 1, с. 32-36.

41. Пейч Ю.Л., Крашенинникова М.Е., Федюшина И.Ф. Вариация динамических параметров вязкоупругих колебаний подрельсового основания. Вестник ВНИИЖТ, 2000, № 7, с. 15-19.

42. Попов В.Л., Колубаев А.В. — Генерация поверхностных волн при внешнем трении упругих твёрдых тел // Письма в ЖТФ, т. 21, вып. 19,1995, с.91-94.

43. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: Справочник. В 2-х кн. Кн.1/Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1978. - 448 с.

44. Профильное шлифование рельсов /Абдурашитов А.Ю., Крысанов Л.Г., Каменский В.Б. и др./- М.: Транспорт, 2001. 79 с.

45. Рейхарт В.А., Дудкина Т.П. Почему ломаются рельсы. Путь и путевое хозяйство, № 8, 1996, с.2-3.

46. Рубчинский З.М., Соколов С.И., Эглон Е.А., Лынюк Л.С. Электропоезда. -М.: Транспорт, 1983, 415 с.

47. Рубчинский З.М., Тастевен Е.Э., Лынюк Л.С., Эглон Е.А. Устройство и работа моторвагонного подвижного состава.- М.: Транспорт, 1969.-352 с.

48. Современные конструкции верхнего строения железнодорожного пути.

49. Под ред.В.Г. Альбрехта и А.Ф. Золотарского. М., «Транспорт», 1975, 280 с.

50. Солодовников В.В. Техническая кибернетика, М.: Машиностроение, т.1, 1967.

51. Супрун П.П., Хазов А.А. Устройство для затяжки клеммных болтов. Путь и путевое хозяйство, № 5, 2001, с.7-8.

52. Тепловоз 2М62: экипажная часть, электрическое и вспомагательное оборудование/С. П. Филонов, А. Е. Зиборов, В. В. Разумейчик и др.- М.: Транспорт, 1987.-184 с.

53. Технические указания по устройству, укладке и содержанию бесстыкового пути. МПС РФ, Главное управление пути, М.: Транспорт, 1992, 8 с.

54. Филин А.П. Прикладная механика твёрдого деформируемого тела, т.1, М.: «Наука», 1975, стр. 832.

55. Филонов С.П., Зиборов А.Е., Ренкунас В.В. и др. Тепловозы 2ТЭ10М, ЗТЭ10М: Устройство и работа.- М.: Транспорт, 1986.- 288 с.

56. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. 4-58 ANSYS для инженеров: Справ, пособие. М.: Машиностроение-1, 2004. 512 с.

57. Эсвельд К. Измерение и устранение вертикальных неровностей рельсов. -Железные дороги мира, 1984, № 4, с. 32-36.

58. Яковлева Т.Г., Карпущенко Н.И., Клинов С.И., Путря Н.Н., Смирнов М.П. Железнодорожный путь.- М.: Транспорт, 2001.- 407 с.

59. Alias J. Characteristics of wave formation in rails. Rail international, November, 1986, s. 17-23.

60. Bernstein S.A. et al. The interpretation of train rolling resistance from fundamental mechanics. — ASME/IEEE joint rail conference, april 1980.

61. Birmann F. Schiehnenriffeln, ihre Erforschung und Verh. tung. Teil 1: Schwingungsuntersuchungen. VDI-Z, Nr. 26, 1958, S. 1253-1262. Teil 11: Werkstoffuntersuchungen und AbhilfemaUnahmen. VDI-Z, Nr. 30, S. 1453-1462.

62. Bugarcic H. EinfluB der Feuchtigkeit auf mechanisch-chemische Vorgange bei Reibungsbeanspruchungen von Armco-Eisen, Einsatz- und Radreifenstahl unter

63. Verwendung einer neukonstruierten Reibungspriifmaschine. Diss. TH Aachen 1965.

64. Burggraf, Kettenburg, Krupp, Maiwald, Rathjen: Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Unebenheiten in einer Objektoberflache, Deutsches Patent Nr. 197 21 915, 1998.

65. Cramer. Riffelschienen in USA. Stahl und Eisen, 1950, S. 172-186; Stahl und Eisen, 1952, S. 1610.

66. С г о о к, A. W.: Simulated gear-tooth contacts: some experiments upon their lubrication and subsurface deformations. Proc. Instn. mech. Engrs. London 171 (1957) S. 187.

67. Carson R.M., Johnson K.L. Surface corrugations spontaneously generated in a rolling contact disk machine. Wear, Nr. 17, 1971, S. 59-72.

68. Combating the roaring-rail by grinding using a mobile train formation. Rail engineering international, 1972, february-march, vol. 2, nr. 2, pp. 81-86.

69. Czitary, E.: Zur wellenformigen Abnutzung der Schienen. ETR 8 (1959) Nr. 6, S. 247-258.

70. Delgado L. Montly Bulletin of the International Railway Congress Association. 1958, vol. XXXV, № 6 и 9.

71. Ebersbach D. Verbesserte technische Kriterien fur das Schienenschleifen. — Eisenbahningenieur 46 (1995), № 12, S. 864-872.

72. Eisenmann J. Riffelbildung bei Schienen Theorie Berichte des Seminars Fahrweg, spurgef. hrter Fernverkehr, Rad/Schiene-Technik. Augsburg, Mai 1979, S. 47 |62.

73. Esveld C. Measurement and elimination of vertical roughnesses of rails.-Railway Gazette International, 1984, № 7, p. 531-533.

74. Fendrich L. DB tightens management of rail grinding. Railway Gaz. Int., 1990, №5, p. 353-354.

75. Feller H.G., Waif K. Zur Bildung und zum Wachstum von Riffeln auf Eisenbahnschienen. Eisenbahntechnische Rundschau (39), 1990, № 6, S. 367369.

76. Fink, M.: Die Entstehung der Schienenriffeln Der Stand der Riffelforschung nach rund 60 Jahren. Glas. Ann. 77 (1953) Nr. 11, S. 342 - 350 u. Nr. 12, S. 373380.

77. Funke H. Schienenschleifen. Transpress, VEB Verlag flir Verkehswesen, Berlin, 1984, s. 153.

78. Grassie S. Riffeln-Griinde und Gegenma(3nahmen. Eisenbahningenieur, 46 (1995), №10, s. 714-723.

79. Grassie S. Corrugation: variations on an enigma. Railway Gazette International, July 1990, p. 521-533.

80. Hannafious J., Steele R. Railway track and structures, 1994, № 11, p. 25-28.

81. Hampton R.D. Rail corrugation-experience of US transit properties. "Transp. Res. Rec.", 1986, № 1071, p.p. 16-18.

82. Heller W. Schienenuntersuchungen Weiterfuhrung der Betriebsversuche. Berichte des Seminars Fahrweg, spurgeflihrter Fernverkehr. Rad/Schiene-Technik, Augsburg, Mai, 1979, S. 15-32.

83. J о h n s о n , K. L., u. J. E. M e r w i n : An Analysis of Plastic Deformation in Rolling Contact. Proc. Instn. Mech. Engrs. 177 (1963), H. 25, S. 676-685. .

84. Johnson K.L., Graj G.G. Development of corrugations on surfaces in rolling contact. Proc. Insta. Mech. Engrs., 189(1975)13, s.45-58.

85. Johnson, K. L, u. J. A. Jefferis: Plastic Flow and Residual Stresses in Rolling and Sliding Contact. Symp, fatigue Rolling Contact, London 1963.

86. Knothe K. Gleisdynamik. VDI Verlag, 1997, s. 216

87. Kraft, K.: Die Haftreibung. El. Bahnen 39 (1968) Nr. 6, S. 142-150; Nr. 7, S. 161-170; Nr. 8, S. 190-198 u. Nr. 9, S. 214-219.

88. Krause, H.: Mechanisch-chemische Reaktionen bei der Abnutzung von St60, V2A- und Manganhartstahl. Diss. TH Aachen 1966.

89. Krettek O. Die Riffelbildung bei Bahnen des offentlichen Personenverkehrs unter besonderen Beriicksichtigung des Zusammenwirkens von Rad und Schiene. ZEV Glas.-Ann., 104 (1980) 8/9, S. 235-265.

90. Leykauf G. Riffelbildung bei Schienen-Versuche. Berichte des Seminars Fahrweg, spurgef. hrter Fernverkehr, Rad/Schiene-Technik. Augsburg, Mai 1979, S. 63 |77.

91. Made, J.: Dynamiczne Kryteria Ksztaltowania Charakterystyk Sil czynych Pojazdu Trakcyjnego. Sammelband vom IV. Sympozjum Naukowe Pojazdy Szynowe, Warszawa 1975.

92. Maiwald D., Rrupp A., Plass W., Kettenburg R.: Innovative Schienenprofilmessung, EI — Eisenbahningenieur (50), 5/99, S.l 0-^15.

93. Monatschrift der Internationalen Eisenbahn - Kongress - Vereinigung, April 1962. Bericht von der 18. Tagung in Miinchen 1962, Antworten der SNCF, Anlagen 40 und 41.

94. Monthly bulletin of the International railway congress association. 1958, № 5, s. 747-802; № 6, s.964-990; № 9, s. 1430-1445; № 11, s. 1652-1654.

95. N а у a k, P.: Contactvibration of a Wheel on a Rail. Journ. of Sound and Vibration 28(1973) Nr. 2, S. 277-293.

96. Nayak P.R. Contact vibration. Journal of sound and vibration 22, Nr. 3, s. 297322.

97. Palme M., Rousse M. Le rendement et l'efficacite du meulage des rails atteints d'usure ondulatoire avec des patins meuleurs. RGCF, № 12, 1956, s. 599-612.

98. Richter-Kreuz, F.: Zur Bildung von Riffeln auf Schienen normalspuriger Gleise. AET 3 (1953), S. 23-50.

99. S i e b e r, K.: Uber die Riffelbildung an Strafienbahnschienen. El. Kraftbetriebe u. Bahnen 5 (1907) Nr. 17, S. 329-333, Nr. 35, S. 694-695 u. 6 (1908) Nr. 23, S. 465-471, Nr. 24, S. 485-491 u. Nr. 27, S. 547-550.

100. Uogan H. Montly Bulletin of the International Railway Congress Association. 1958, vol. XXXV, № 5.

101. Van Atta R.E. et al. Train resistance as affected by weight of rail. Bulletin of the American railway engineering association, vol. 38, 1937.

102. W e r n e r, K.: Riffeln und Grubchen auf Roll- und Walzkorpem, sind sie ultraschallbedingt ETR 22 (1973) Nr. 4, S. 142-149.

103. We r n e r, K.: Schienenriffeln als Resonanzeffekt bei geschwindigkeitsabhan-giger Frequenzaufspaltung von Radkranz-Biegeeigenschwingungen und nichtlinearen Kontaktkraften zwischen Rad und Schiene. ETR 25 (1976). Nr. 6, S. 381-391.

104. Werner, K.: Radriffeln und periodischer GrubchenverschleiB bei Roll-standsversuchen durch Wechselwirkungen mit tonfrequenten Eigenschwingungen und koharenten Ultraschallfeldern. Archiv fur Eisenbahntechnik. (1973) Nr. 28, S. 1-27.

105. Woraly D.N., Melsky J.R. The Growth and operating impacts of rail corrugations. Massachusetts institute of technology, Dept of mechanical engineering.

106. Yasuo Obata. Present in track rail maintenance.: Use of Speno rail grinder and an evaluation of its effectiveness. Off-print, separate 1979

107. Zarembski A., Izbinsky G., Handal W., Worthngton W. Corrugation behavior in the freight railroad environment. American railway engineering association, bulletin of AREA, 1987, p.p. 303, 305, 307, 308-332.