автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Восстановление профиля катания и повышение ресурса колесных пар подвижного состава

о О* , ц ^ <**

На правах рукописи

ВЛАСОВ Сергей Александрович

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОФИЛЯ КАТАНИЯ И ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА КОЛЕСНЫХ ПАР ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

05.22.07-Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург -1998

S).

Работа выполнена в Уральской государственной академии путей сообщения ( УрГАПС ) Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор С. А. Сенаторов Официальные оппоненты - академик транспорта,

доктор технических наук, профессор В.В. Лукин - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ю.В. Зыков

Ведущее предприятие- Свердловская железная дорога

Защита строится ¿ЕКЗВРЯ 1998г на заседании диссертационного совс К 114.11.01 в Уральской государственной академии путей сообщения в ауд. 21 в 14°°ч. по адресу: 620034, ^Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, УрГАПС.

Автореферат разослан « Q6 » НОЯБРЯ 1998г.

Отзыв на диссертацию в двух экземплярах с подписью, заверенной печ; тью организации, просим направлять по адресу Совета академии.

Ученый секретарь диссертационного совета_

д.т.н.,профессор__В.Е.Попов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди комплекса проблем на железнодорожном транспорте одной из наиболее важных является интенсивный износ гребней колес подвижного состава и головок рельсов. Вследствие колебаний вагонов п наличия зазоров в буксовых проемах колесные пары получают изначальные перекосы, которые увеличиваются в процессе эксплуатации, что приводит к длительным взаимодействиям гребней колес с рельсами. Особенно сильно это явление износа проявляется при прохождении кривых участков пути.

Уральской государственной академией путей сообщения, Уральским отделением В1ШИЖТ совместно со службой вагонного хозяйства Свердловской ж.д. накоплены материалы по исследованию износа гребней колес в опытных составах УрГАПС - УВЗ. В опытных составах с 1978 года эксплуатировались вагоны серийной постройки ГПО "Уралвагонзавод" на роликовых подшипниках. Средняя интенсивность изнашивания на 100 тыс. км в 1988-90 гг. составляла 2.25 мм, а в 1993-95 гг.- 7,3 мм, то есть увеличилась более чем в 3 раза. Интенсивность изнашивания гребней в опытном составе полувагонов, курсирующем по участку с горным профилем, в 1992-94 тг. была выше (около 10 мм), а в опытном составе цистерн - еще выше ( порядка 25мм).

Тяжелое положение сложилось с обеспечением безопасности движения поездов и пропускной способностью железных дорог. Требуются колоссальные затраты при деповском, капитальном и теку щем ремонтах подвижного состава. Увеличилась потребность в ремонте колесных пар со сменой элементов. Срок службы колес уменьшился в 3-4 раза. Увеличился простой вагонов при всех видах ремонта.

Актуальность рассматриваемой проблемы обусловлена необходимостью повышения межремонтного периода работы подвижного состава, сокращением эксплуатационных, расходов и увеличением технического ресурса колесных пар. Для реализации поставленной задачи необходимо разработать способ восстановления профилей катания железнодорожных колесных пар и ободьев железнодорожного колеса с целью уменьшения износа гребней колес и головок рельсов.

Цель работы. Разработка уточненной методики расчета кинематики колесной пары, позволяющей определить причины износа гребней колес и рельсов и выработка рекомендаций по повышению работоспособности системы колесо - рельс.

В ходе работы были решены следующие задачи:

- разработаны технические указания по высокочастотному нагреву поверхности катания колес для наплавки гребней и отжигу перед механической обработкой в условиях вагонного депо;

- разработан конструктивно-технологический способ увеличения срока службы колесных пар грузовых вагонов;

- проведены статистические исследования по износу гребней колесных пар грузовых вагонов колен 1520 мм.

Научная новизна.

, 1. Предложена уточненная методика расчета углов перекоса (рх,,(р} в вертикальной и горизонтальной плоскостях с учетом начальных условий положения колесной пары в колее.

2. Получены зависимости для определения г, <ру, <рх с учетом горизонтальных неровностей пути при тех же начальных условиях. •

- 3. Произведена оценка влияния разных направлений уклонов на кинематику колесной пары.

Практическая ценность. Разработанный в диссертации конструктивно-технологический способ восстановления профилей катания железнодорожных колесных пар и ободьев железнодорожного колеса позволяет:

; : 1.. Уменьшить интенсивность изнашивания гребней колесных пар и головок рельсов за счет улучшения условий качения колеса.

2.' Увеличить технический ресурс и долговечность колес. \

Достоверность полученных результатов обеспечивалась: согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований; ■

- достаточным объемом выборок эксплуатационных исследований в опытных вагонах.

. Реализация работы. Исследования являются составной частью задач, решаемых в соответствии с комплексной программой разработки мероприятий по снижению интенсивности износа гребней колесных пар подвижного состава на Свердловской железной дороге; научно-технического и экономического советов МПС России по вопросу: "О проблемах износа гребней колесных пар и бокового, износа рельсов и мерах по снижению их интенсивности".

.Разработанный коиструтаивио-технологичекский комплекс применяется в вагонном депо ст. Гороблагодагская.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались:

-, на научно-техническом семинаре «Проблемы бокового износа рельсов и гребней колес подвижного состава», Екатеринбург 1996 г.

. , ¡на научно-технической конференции УрГАПС «Фундаментальные и прикладные исследования - транспорту», посвященной 40-летшо УрГАПС, Екатеринбург 1996 г.

- в службе вагонного хозяйства Свердловской железной дороги, Екатеринбург 1997 г.

- на международной научно-технической конференции "Железнодорожный транспорт сегодня и завтра" посвященной 120-летию Свердловской железной дороге, Екатеринбург, 1998 г.

Публикации. Основные научные результаты опубликованы в 6 печатных работах. Получен один патент на изобретение.

Спгруктура и объем работы. Диссертационная работа состоит из 7 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Текстовая часть работы изложена на ) 23 страницах машинописного текста и содержит \ 6 рисунков, 9 таблиц, 121 наименования использованной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе приведен краткий обзор и анализ исследований в области износа гребней колес подвижного состава и бокового износа рельсов.

Вопросам исследования взаимодействия пары трения колесо-рельс посвящены работы следующих отечественных ученых: М.Ф Вериго, C.B. Вертинского, И. И. Галиева, Л.О. Грачевой, U.C. Анисимова, В.Р. Асадчешсо, U.C. Бачзрииа, Е.ГТ. Блохина, В.М. Богданова, Г.И. Богомаза, Ю.П. Бороненко, А.П. Буйносова, В.Н. Доронина. H.H. Ершовой, В.П. Есаулова, Ю.В. Зыкоьа, А.Я. Когана, В.Н. Котуранова, Л.Н. Косарева, В.В. Лукина, М.В. Орлова, H.A. Г1ань-кнна, В.Е. Попова, В.В. Перекрестовой, Ю.С. Ромен, А.Н. Савоськина, М.М. Соколова, A.B. Смольяшшова, В.Н. Филлипова, М.А. Фришмана, В.Д. Хусидо-ва. и других.

Боковой износ рельсов и гребней колесных пар оказывает существенное влияние на динамику экипажа и определяет плавность хода, устойчивость и безопасность движения подвижного состава.

Влияние условий эк-сплуаташш на износ гребней колесных пар отражено в работах А.Я. Когана, MB. Орлова, A.A. Соломенникова, В.А. Ивашова, О.Г. Юдина.

Основной причиной износа гребней является изменение боковых зазоров гребней с рельсами. Уменьшение зазоров изменило кинематику колесных пар, то есть законы качения и взаимодействия колеса с рельсом. Известно» что уменьшение боковых разбег о» колес обусловлено сужением рельсовой колеи и возвышениями одного рельса над другим по ходу движения, дополнительными допусками на её уменьшение. Ниже рассмотрена кинематика колесной пары и условия взаимодействия гребней.

Вторая, причина для грузовых вагонов - перекосы колесных пар, которые способствуют боковым взаимодействиям и последующим износам. Перекосы колесных пар обусловлены отклонениями в геометрических размерах узлов тележек: в гасителях колебании, в буксовых проемах, в буксах, в боковых рамах, в надрессорных балках и в геометрии колесных пар и др.

Существует мнение, что увеличение ширины рельсовой колеи способствует перекосу колесных пар и, следовательно, износу гребней. Для уменьшения перекосов колесных нар даются рекомендации по ужесточению геометрических размеров с целыо уменьшения зазоров в узлах сопряжения. Эти утверждения в большинстве случаев не обоснованы и могут привести к еще большим износам пары трения колесо-рельс.

Важную роль в динамике экипажей в возникновении износов колесны пар, а также других частей тележек играет кинематика колесных пар как исто1 ник возмущений экипажей.

При качении по рельсам колесная пара совершает извилистое движени с линейными перемещениями х, у, z, угловыми поворотами <рх, (pz> по ш правлению координатных осей х, у, z . Получены зависимости для определени траектории движения при свободном качении колесной пары по жесткому пут с учетом радиусов качения колес (г; и гД неодинаковых уклонов на колесах (;; и «г), с учетом начальных перекосов и смещений колесных пар в колее (zo, Фо_ <Р0х)-

Наличие конусностей на колесах способствует самоустановке колесны пар в колее по минимуму потенциальной энергии, что компенсирует их начал! ные перекосы. Это способствует уменьшению износов гребней, но в том случае когда величина поперечного смещения не превосходит бокового зазора гребня рельсом.

Колесная пара, совершая извилистое движение, гребнем левого или пра вого колеса приближается к рельсу. Если зазор (А,- тах) достаточно большой то взаимодействия гребня с рельсом не происходит (рис 1,6 пр. 1,2), следова тельно, износа гребня нет. Если же зазор недостаточный (Л,- min), а амплитуд; А02 достаточно большая, то гребень на участках (Lyj-.Lzj) вступает в работу < головкой рельса и вследствие этого появляются износы в зоне контакта гребен! - рельс. Продолжительность контакта увеличивается при уменьшении зазоро] A, i на колесах и с увеличением амплитуд боковых перемещений, перекосов i разниц радиусов качения.

Возникает задача устранения'контакта и уменьшения работы сил тренго в узле гребень-рельс.

Это можно достигнуть следующими способами:

1) уширением рельсовой колеи;

2) введением смазок в зоны умов контакта, то есть лубрикацией; ; 3) изменением профиля поверхности катания.

Перешивка рельсовой колеи требует вложения больших материальных i финансовых ресурсов, что в настоящее время не представляется возможным Применение в последнее время лубрикации, для снижения интенсивности изнашивания рельсов и гребней колесных пар, требует проведения теоретико-экспериментального анализа возможных последствий этих мероприятий с точки зрения проявления эффекта Ребиндера и водородного изнашивания метатлов.

Во второй главе рассмотрена кинематика колесной пары вагона при свободном качении на прямом участке. Сложное движение колесной пары можно представить как движение вокруг мгновенного центра О с радиусом кривизны

Рис. 1 Схема движения колесной пары с одинарной конусностью а - перемещение в поперечной плоскости, б,в - общие схемы движения колесной пары.

Я (рис. I, а ). Перемещение 2 в плане представляется кривой с радиусом кривизны К=1Ж. Известно выражение для кривизны:

d2Z 1

О)

dx2 R .... Из рис. 1 имеем:

Гс = R . рх = . (2)

S.W

Откуда значение радиуса равно:

R ---— . (3)

(>01 -%) + («l-"2)'Z Решая совместно (I) и (3), получаем дифференциальное уравнение движения колесной пары:

—г-Н---—---= U, шга (4)

dx гс'8м'

*-l+p*.z=-Km. (5) ■

dx

где p, A^oj - параметры уравнения:

(6)

rc '^M rc Av/

Общим решением уравнения (5) является функция:

Z - Clcospx + C2smpx +(7) где С,, С2 - произвольные постоянные; А - константа:

= (8) Р Щ-п2

Произвольные постоянные Cj,C2 находим из начальных условий движения. Полагаем, что в начальный момент движения (при t~(), х - 0) колесная пара получила смещение Z0 и угол поворота (fQy относительно вертикальной оси:

Z = C| cosрх 4- С2 siftрх + Ai = Z0, dz

(pY =-= -Cj /7sin {Ж + C2pCOS /ЗГ - (Р()У ■ (9)

dx

Из выражения (9) найдем:

~ ¿о ~ -''1 - 2о +

/7} -И2

= ПО)

о

2 =(¿0 + -сояЯ/-г(<оог -, • М ——,

Щ~п2 У«Г"/г2 п\~п

Ьм % }_ !>1~"г л1"п г]

/2 ~г\

20 + -—2— • + (11)' I ~ / \ 'с ' -Ч/

где Л/}) - разница в нормальных радиусах кругов катания. Аг0 -- - ;

Я - частота извилистого движения колесной пары.

V г£-' ^Д/

Период и длина волны извилистого движения колесной нары: т 2/Т , Л ')]'„• Бы

А \! ¡1] - ??2

При типовых значениях гс~ 0,475 м, п1~~1\-п = \!20, ~ 1,58 м и V = 30 м/с частота извилистого движения, период и дайна волны равны Я = 11 сек"1, Т = 0,57с, Ь - 17,1м.

Поперечное движение £ при неограниченных боковых зазорах гребня е головками рельсов зависит от разтщы нолшнальных радиусов качения по кругу катания -/"02), наличия и разности угошгев на поверхностях катания колес (Щ ~ /Ь), начальных отклонений колесной пары от среднего положения

<А ,<р0^<р0у}а\).

При начальном боковом отклонении на величину 7. — - Д/5 отсутствии перекоса <рОХ! - 0 при разнице качения Дг0 = 0, как следует из (11), колесная пара будет совершать извилистое движение по законам:

„ —/ь . , фу = -г0 • ,; -8111 Л/. (14)

Наибольшая амплитуда боковых колебаний колесной пары равна боковому зазору гребля с рельсом = А;- (рис. 1,6; рис. 2.а), а угол поворота

0

а) |

У*

Пг

X.

в

-ТгГ-ХГъ

%

к. с

3

У

X

% 6

Ъ I

■У*

&

йГп

! I

¿а-.? 1 ! \ \

'м 7 \

т : 7

¿х/ )\ \ АЛ

й

Рис. 2 Расчетные схемы движения колесной пары по пути с неровностями рельсовых нитей в плане.

а - схема перемещений колесной пары с однородными уклонами на

поверхностях катания колес б - схема неровностей пута в плане с исходным положением колесной пары

-_Л F1' ~ ■

"Pj-max ~ 9 "

Боковое отклонение Z0 создается каким - либо боковым возмущением от неровностей пути или интенсивной боковой качкой кузова вагона на рессорах.

Кинематика колесной пары в колее с начальным поворотом относительно вертикальной оси Y, с начальным поворотом <роу и отсутствии других начальных перемешепий Z0 = 0, <роу = 0, Дг0 = 0 колесная пара может иметь следующие случаи кинематики:

- и звилистое движение без кон такта гребней с рельсами;

- извилистое движение с временным контактом гребней с рельсами:

- движение без выхода из состояния контакта гребня с рельсами,

В первом случае колесная пара движется, совершая извилистое движение по законам (11), с учетом начального условия <рог:

Z = <р • —• sin Ai ~ В sin ?.t,

■ \J Щ - щ

(py = cp0), • eos Át. (15)

Схема движения показана на рис, 2,6.

Направление движения определяется направлением начального угла поворота колесной пары (р^, . При положительном (роу колесо катится в сторону

правого рельса (рис. 2Д 1), а при отрицателыюм-в сторону левого (рис. 2,6, 2).

Колесная пара совершает извилистое движение по законам (15), но только для тех случаев, когда поперечные перемещения Z меньше бокового зазора между гребнем и головкой рельса:

Z<A; = 0;5 (S-K), (16)

где i - номер зазора между правым гребнем и рельсом (/ = I); или между левым гребнем и рельсом (/ = 2);

S- ширина рельсовой колеи;

К- ширина колесной колеи.

Второй случаи кинематики колесной пары, с контактом гребня с рельсом происходит, если боковые зазоры гребней с рельсами Л, недостаточны для свободного прохождения колесной пары, то есть Z по условиям (15):

~ Фоу ', • sin Aíj > A¿. (17)

В начальный момент колесная пара движется, совершая извилистое движение. Затем, после выбора бокового зазора, наезжает гребнем на головку рельса.

Момент наезда определим по времени /¡, когда выбирается весь зазор между гребнем и головкой рельса, используя выражение (17):

(17)

где (р^у - угол поворота колесной пары в начале первого участка движения.

Зиая время от начала движения до наезда, можем из выражения (15) определить поворот оси колесной пары в конце первого участка движения и, соответственно, в начале второго:

(18)

С момента контакта гребня колеса с рельсом перестает работать закон извилистого движения в прежнем его виде. Смещение колесной пары в поперечном направлении не увеличивается и становится равным постоянной величине -зазору Л между гребнем и головкой рельса (17). Колесная пара, оказавшись повернутой относительно оси X на угол (рх\, будет катиться в таком перекошенном положении. ,

Со временем колесная пара может выйти из состояния контакта, если набегающие колесо, в нашем случае первое (рис. 2), катится по большему радиусу {гн = гшах = )\), а свободное - по меньшему:

1 = '01 +«г2/=г01 +Щ-А/,

г2 = г02 + п2 • = г02 + п2 • А,, (19)

где г( - перемещение колеса, соответствующее боковому зазору А,- гребня с рельсом правого ((=1) или левого (¿4? ) колеса.

Условия возможного выхода из состояния контакта для правого и левого колес соответственно равны:

>'0}+игА{)/02+«2-А1 , % + П2 ■ А! )г0 { + щ • А2. (20)

Движение колесной пары в состоянии контакта осуществляется на постоянных радиусах колес (19), с поступательным движением и поворотом колесной пары вокруг вертикальной оси:

= гхол = (/о + «з А,-)■ ш,

(21)

= г2ах ~ (го + «2А^) • йд? ,

(2) ЛЧ-Д', (2) (»»-«,)А,

Колесная пара выходит из состояния контакта в момент, когда угол поворота относительно вертикальной оси становится равным нулю:

<2з)

à M

Из этого условия находим время движения по второму участку:

U =--^-. (24)

(п2 -«[)■ Д (о

1ри зазорах в буксовых узлах Дх1 = Д х2 - 15 мм перекос колесной пары мо-кет составлять <р^у = 1,5/100. Если колеса имеют боковые номинальные зазоры • головкой рельса Д,- = Ад = 5 мм, то при скорости движения v = 30 м/с имеем тстоту извилистого движения 1 сек"1, а из (23) и (24) находим 7>-~0,14 с и К)"2 сек!. Время длительности фрикционного контакта из (24) отделяет с, а по длине пути контакта ХП = vt2 - 22.3 м или X11 = ,31«.

Это нежелательное явление, приводящее к износу гребней. Нами взяты юстаточпо большие зазоры гребней с рельсами (5 мм) На практике зазоры ребней с рельсами могут быть уменьшены до нуля, и тогда, как мы видим из 24), время работы гребня по колесу станет бесконечно большим, а износы ка-астрофическими.

Движение колесной пары без выхода из контакта гребня с рельсом нроис-одит в том случае, если радиус набегающего колеса меньше радиуса колеса вободно движущегося. Гребень набегающего колеса не может выйти из кон-акта с рельсом, поскольку путь, проходимый свободно движущимся колесом, ольше пути набегающего, и происходит разворот колесной пары в сторону на-егающего колеса.

Условие невыхода колес от контакта определим подобно условиям (20): для правого колеса-

(г01+игД1)ХП)2 + ^2'Д1)'

для левого колеса-

(/Q2+o2A)}('bi + 'VA2)-

Момент наезда найдем из выражения (17), а угол разворота колесной nabi- из условия (18), получены выше для извилисто-контактного случая.

Для уменьшения контакта гребней с рельсами необходимо увеличить боевые зазоры Д и разбег д колесной пары в колее, а также уменьшить началь->te перекосы колесных пар (роу.

Рассмотрена кинематика колесной пары при качении на участках пути с ¡ровностями рельсовых нитей в плане и получено уравнение движения

2Z

pr + p"Z~~KQ] ~.aZ\ cos(ojZ]t + а7л) + a72cos(y,jZ2i + aZ2) (25)

Общим решением дифференциального уравнения (25) является

функция:

-2С +2\ =С}

р

1

(26)

Р

^01 _ Г01 ~~г02 _ . Р2

2 ~ 2 2

Р ~Рг 1

[3 -~2-Г'

Р ~Рг г

Наиболее благоприятные случаи взаимодействия колес с рельсами тогда, когда кривые рельсовых ниток пути Цц-Ч^г и кривая извилистого движения колесной пары совпадают по частотам и находятся в одной фазе. В этом случае система имеет наименьшие относительные перемещения Л 7), Д^з -

Худший случай, когда возмущения от неровностей пути и свободные колебания находятся в противофазе.

По взаимодействиям гребней и профилей катания с рельсами на основании вышеприведенных зависимостей может быть качественно оценен износ гребней, поверхностей катания колес и рельсов.

На основании анализа математической модели кинематики колесной пары можно сделать предположение об уменьшении изиосов колес и рельсов, т.е. об увеличении боковых зазоров гребней с рельсами и стабилизации положения колесных пар в тележках.

В третьей главе дан анализ профилей катания колес и способы модернизации колесных пар.

Рабочий профиль колесной пары в колее определяется профилями катания колес и их положением в колесной паре, то есть привязкой к центру оси.

Один из способов решения задачи - изменение положения профилей катания колес путем их смещения к центру оси колесной пары и увеличение боковых зазоров гребней с рельсами.

Смещение и изменение профилей достигается;

-151) уменьшением тыльного размера А Т0 между внутренними гранями колес за счет снятия верхнего допуска (Д7] = Змм) с отклонением от номинала

<ЛГ;=0);

2) уменьшением тыльного номинального размера с Тп-=1440 мм до АТ^ = 1437мм в пределах нормативных документов на формирование;

3) уменьшением тыльного номинального размера с Тв=1440 до Т)^ ~ 1436мм или Т^ — 1435мм и приближением его к верхнему предельному размеру 1435 мм по устройствам пути;

4) установлением уменьшенных допусков на новые номинальные размеры Т$\Т{02): А Г} - 2, АТ2 = 0, мм;

5) смещением профиля катания колеса на размер С^ — р....2и, до

уровня вертикальной плоскости на расчетном сечении гребня (рис. 2.1.);

6) уменьшением ширины гребня на А(] ~ 1 ..2мм и изменением тыльного профиля гребня.

Общее смещение профиля, характеризуемое перемещением наружной точки гребня в расчетном сечении, определяется по формуле:

С = Сп=С0+Си+С(ГС'т\ , (2.1)

где С л = АТ\ /2 - смещение от снятия от верхнего допуска ¿17", тыльного размера 7д;

Ср = (7д — 7}' )/2 - смещение от сдвига номинальных тыльных размеров;

С/( - и - смещение за счет снятия тыльного уклона профиля и;

Сд = Ад - смещение по изменению толщины гребня с/;

Сл = А7']/2 - смещение но верхнему допуску А Г] нового номинального тыльного размера Т0. Это смещение уменьшает толщину гребня со стороны внутренней грани колеса.

Узлы колесная пара-рельс со смещенными профилями колес в зависимости от исполнения разбиты па группы.

Профили первой группы - это профили тина:

ПКС-У1.1, ПКС-У1.2, ПКС-У1.3 (табл.1, пп.4,5,6).

Первая группа профилен построена на базе тыльного номинального

размера Т\ = 1437мм. Профили не выходят за предельный габарит типового

профиля Т2='Го+Л 'Г2=/440-3=/437мм. Параметры профиля ПКС-У1.1.

Т\ = 1437, А^ -2, АТ2 = 0, АГ0 = 1503мм;

-16. (?0=33, ¿o = 130, ju = 0, f — 8...9, bn — 39mm; £ = 60°, щ =1:7, nz =1:20.

Величина смещения профиля:

Смещение профиля достигнуто за счет снятия верхнего допуска на

Т

тыльный размер между гранями колес (А 7'-] =3), установлением нового базо-

'О

вого тыльного размера (77/ = 1437мм), смещением за счет уклона //. Если

колесо будет проточено с допуском АТ\ =+2, то тылышй профиль гребня смешается в обратном направлении на величину Су ¡ = 1 мм.

Боковые зазоры: Д0 = 8,5, Ajnin = 5, Д'^ = 2,Дтах =11,5 мм. Профиль ПКС-У.1.2 выполняется по тому же типу, но с наличием параметра // тыльной точки гребня.

Характеристики профиля:

Т]0 = 1437, АГ, =2, АТ2 = 0, JCD=1505 мм; <7-33,(32), ¿0=130, JU=1, /=7...8, Ъп= 40 мм; /3 = 60°.

Смещение: C"=Cji+C()~C^=2-r3;

С) ~ (^ ^ С)' (2) ""

Боковые зазоры: ДQ*'=7,5, Д ^п=4, A¿n=l, AnJlx=10.5 мм.

Профиль 1ЖС-У.1.3 выполняется по типу профиля ПКС-У1.1, с дополнительным. смещением профиля за счет уменьшения ширины гребня на /1(7= 1мм.

Параметры профиля:

Г0=1437, Д7\=2, АГ2 = 0, =1501 мм; £=32(31), ¿й=130, //=0, /=8...9, ¿>#=38 мм, р = 60°; 11] = 1:7, п2= 1:20. Смещение профиля: (С^^ )=4-г5мм.

Боковые зазоры: Д0 =8,5, А^ =5,5, А„цП =2,5, Anm =11,5мм. По профилям ПКС-У1.1, ПКС-У1.2, ПКС-У1.3 предполагается обрабатывать колесные пары:

- узкого формирования, с тыльными размерами между гребнями Т—1437-1439мм, то есть с нижними допусками формировашя^172=-2мм;

- колесные пары широкого формирования, восстановленные тыльной наплавкой ободьев с припуском на механическую обработку под размер Т0=1437 мм.

Увеличение боковых зазоров гребней с рельсами может дополнительно снизить износ в эксплу атации и повысить ресурс работы колесных пар.

Профили имеют увеличенную фаску, что уменьшает количество переточек колес из-за наплыва металла в зону фаски.

Профили первой группы рекомендуются к непосредственному внедрению на первом этапе.

Профили второй группы.

Типы профилей - ПКС-У2.4, ПСУ-2.5, ПКС-2.6,

где 2-номер группы, 4,5,6-номератипов профилей.

Профили построены по тому же принципу, что и профили первой группы, но с поминальным тыльным размером Т0=1436мм и с допусками ¿17} =2, ЛГ2=0.

Цель - получить дополнительные смещения профилей и увеличение боковых зазоров гребней с рельсами в колесных парах с тыльной наплавкой гребней.

Профили имеют увеличенную ширину обода за счет тыльной наплавки.

Профили третьей группы.

Типы профилей ПКС-У3.7, ПКС-У3.8, ПКС-У3.9 (табл. 1, пп.10,11,12).

Предлагается новые колеса выпускать с увеличенной шириной обода

В таких колесных парах отпадает тыльная наплавка для осуществления сдвига профилей в процессе их эксплуатации.

Параметры профилей третьей группы формируются как н во второй группе н указаны в таблице 1.

Профили четвертой группы.

Типы профилей ПКС-ВУ4.11, ПКС-ВУ.4.12 (табл.1, пп.13,14).

В настоящее время па некоторых ремонтных предприятиях колесные пары обрабатывают по профилю ВНИИЖТа.

Данная группа профилей представляет собой сочетание модернизированного профиля ВНИИЖТа и его преобразование путем смещения по вышеизложенным способам с базой тыльного размера Т=1431 2 мм (первой группы) или Т- 1436"2 мм (второй группы) разработок УрГАПС.

Профили пятой группы.

Тип профилей ПКС-У5.0, образованных путем перемещения частей профиля. Параметры профиля приведены в табл. I, п.15.

Проведена проверка устойчивости колесной пары со смещенным профилем катания колес против провала внутрь рельсовой колеи и прохождения стрелочных переводов. Расчетные данные приведены в таблице 2,3. Опасное состояние наступает, когда начало закругления головки рельса (К) совпадает с началом фаски колеса (Р).

Оценку вероятности провала производим:

птт

- по соотношениям минимального размера колесной пары Лд,у до точки М и максимального размера рельсовой колеи до точки А"; о,, =иЭЭ4 мм,

аКМ~°М 'Ли -и> {¿'>

- по коэффициентам запаса устойчивости

К""" = -^кма\+ЬмрСС2+/саъ (28)

> ЬКоКг Ьша1+Ьмра2+Ьта3

где Ь^дг- приведенное расстояние от расчетной точки до наружной грани колеса; .

О"],«окоэффициенты, учитывающие дополнительные потери устойчивости из-за появления поперечных составляющих сил, обусловленных уклонами на участках:

«1 = (1 —«2= 0 "«г). «з=0~"з)

Устойчивость претив вкатывания наружной стороной гребня оценивают коэффициентом устойчивости:

Для типовых колесных пар при/о~0,2-0.3 коэффициент устойчивости равен:

КуК Д4

у 1+ (0,2..0,3)^60° -

Для колесных пар, наплавленных малоуглеродистой проволокой, коэффициенты трения гребня с рельсом увеличиваются в несколько раз (Г=0,4...0,6). В этих случаях устойчивость колесной пары уменьшается, а коэффициент, оценивающий, ее равен:

' 1+(0,4.. 0,6)^60° Л

В четвертой главе разработана методика восстановления гребней колесных пар грузовых вагонов электродуговой наплавкой.

,,.... Способ восстановления гребней ободьев железнодорожных колес заключается в том, что на гребень обода вращающегося колеса наплавляют восстановительный металл последовательным наложением кольцевых валиков, затем колесо охлаждают и подвергают механической обработке, способ отличается тем, что наплавляют гребень по внутренней боковой поверхности обода, противоположной изношенной поверхности обода.

Таблица 1

Характеристики колесных пар грузовых вагонов с типовыми и смещенными профилями колес

к С £ Тип профиля Ваза формирования Колесная колея Кп Ширина гребня ([ Ширина обода Ь ! Тыльный уклон р* с* о и >> Смещение профиля Со Боковые зазоры, мм

Т„ ЛТ, ЛТ2 4 4тп 4. 4»

1 ПК-0 Кол. 1524 1440 +6 -4 1508 33 130 1 60 0 8 4,5 4,5 12,5

2 ГТК-Т Типовой 1440 46 -4 1508 33 130 1 60 0 6 2,5 -0,5 10,5

3 ПК-В ШШИЖТа 1440 +6 -4 1502 30 130 1 65 3" 9 5,5 2,5 13,5

профили УрГАПС со смещением профилей катания и гребней колес

4 ПКС-У 1.1 1437 +2 0 1503 ЗЗ"1 130 0 60 4 8,5 5,5 2,5 11,5

5 ПКС-У 1.2 1437 +2 0 1505 33"' 130 1 60 3 7,5 4,5 1,5 10,5

6 ПКС-У1.3 1437 +2 0 1501 32"' 130 0 60 5 9,5 6,5 3,5 12,5

7 ПКС-У2.4 143 б"1 +2 0 1502 ЗЗ'1 133+3 0 60 5 9 6 3 12

8 9 ПКС-У2.5 1436 +2 0 1504 ЗЗ"1 13313 1 60 4 8 5 2 11

ПКС-У2.6 1436 +2 0 1500 32'1 133*-' 0 60 6 10 7 4 13

10 ПКС-У3.7 1436 +2 0 1502 ЗЗ'1 133+1 0 60 5 9 6,5 3 12

11 ПКС-У 3.8 1436 +2 0 1504 ЗЗ"1 133" 1 60 4 8 5 2 11

12 ПКС-У3.9 1436 —2 0 1500 32"' 133" 0 60 б 30 7 4 13

13 ПКС-ВУ4.11 1437 +2 0 1496 30 130 0 65 7 12 9 6 15

14 ПКС-ВУ4.12 1437 +2 0 1496 "ТЗОЗР 30 130 1 65 7 12 9 6 15

15 ИКМ-У50 г~тТ +2 0 ЗЗ'1 130" 0 62 4 8,5 5,5 2,5 11,5

Таблица 2

Параметры оценки потери устойчивости колесных нар вагонов против провала внутрь рельсовой колеи в кривой пути

(Smax = 1535 + 6, гк = 1 Змм. S™x = \55Амм)

№ п/п Тип профиля. Расчетное расстояние по колесной паре Dmm % Расстояние по профилю катания * min &КМ Коэффициент запаса устойчивости у л у,tarn

1 ITK-T 1563 9 0,494

2 ПК-В 1561 | 7 0,462

3 ГОСС-У1.1 1561 1 7 0,462

4 ПКС-У1.2 1563 9 0,494

S ПКС-У1.3 1560 6 0,446

6 | ПКС-У2.4 1563 1 9 0,494

7 1ЖС-У2.5 1565 11 0,526

8 ПКС-У2.6 1562 | 8 0.478

9 ПКС-У3.7 1563 ! 9 0,494

10 ПКС-У3.8 1565 1 11 0,526

И ПКС-У3.9 1562 f 8 0,478

Предельно допустимый коэффициент запаса устойчивости против прова-

ла кЕ-д- -0,35.

Таблица 3

Параметры системы колесная пара - стрелочный перевод по условиям __прохождения желобов остряков и крестовин_____

№ п/п Тип профиля колеса Я\ТЛ1\ / / iinax По острякам, с ¿¡о-с =1460,дш. По сердечнику крестовины с Splc = 1474, лил По усовикам крестовины с Sfj?_y =1435,мм.

мм.

в™ Ао-г ВГг omiii ВГ-Б Ду-Я

1 2 ПК-Т Типовой ПКТ-В ВНИИЖТа 25/33 23/30 1462 1460 2 0 1479 1476 -5 -2 1438 1438 3 3

3 4 5 ПКС-У1.1 ПКС-У1.2 ПКС-У1.3 25/33 25/33 25/32 1460 1462 1460 0 2 0 1473 1475 1472 1 ^ -1 2 1436 1438 1436 1 3 1

6 7 8 • ПКС-У2.4 ПКС-У2.5 ПКС-У2.6 25/33 25/33 25/32 1459 1461 1459 -1 +1 -1 1472 1474 1471 2 0 3 1436 1439 1436 0 2 0

9 10 11 ПКС-У3.7 ПКС-У3.8 ПКС-У3.9 25/33 25/33 25/32 1459 1460 1459 -1 0 -1 1472 1474 1471 2 0 j 1436 1439 1436 0 2 0

Обод железнодорожного колеса, содержащий гребень, внутреннюю и наружную боковые поверхности, а также поверхность катания, отличается тем, что ось симметрии гребня обода смещена относительно поверхности катания колеса в сторону внутренней боковой поверхности обода.

В пятой главе рассмотрен высокочастотный нагрев поверхности катания колес для наплавки гребней и отжиг перед механической обработкой.

Технология предусматривает проведение высокочастотного нагрева поверхности катания колес до 600°С под нагревающей ветвыо индуктора ВЧГ перед наплавкой гребней колесных пар, а также перед их обточкой. В результате высокочастотного нагрева снижается твердость поверхностного слоя до 280 КВ, внутреннее напряжение и сталь приобретает сорбиговую структуру, что благоприятно для наплавки гребней колес и последующей механической обработки.

В шестой главе приведены статистические исследования по износам гребней колесных пар грузовых вагонов колеи' 1520 мм. Проведенный анализ показывает, что наблюдается систематическое увеличение интенсивности износа гребней типовых колесных пар. Исследования проводились на вагонах опытных маршрутов УВЗ - Мошггорвагонтранс ( УрГАПС ) и на вагонах промыш-лешюго транспорта. В опьштых колесных парах наблюдается появление проката на поверхности катания № уменьшение износа гребней колесных пар.

В седьмой главе дана приближенная оценка эффективности коструктив-но-технологического способа увеличения срока службы колесных пар. Прямой эффект заключается в экономии эксплуатационных затрат по деповскому ремонту и эксплуатации парка грузовых, вагонов.

Косвенный эффект заключается в повышении коэффициента использования подвижног о состава, снижении вероятности аварий (сходов и др.). Э = 160 млн. руб.

Заключение

1. На основашш проведенных исследований получены выражения:

- свободно-извилистой кинематики колесной пары с меридиональным одноточечным контактом;

- извилисто-контактной кинематики колесной пары с боковым взаимодействием гребней с рельсами, с выходом и без выхода из контакта.

2. Для уменьшения продолжительности контакта гребней с рельсами и уменьшения износа в системе колесо-рельс предлагается:

- увеличить зазоры Дтах между гребнями и головками рельсов, т.е. разбег колесной пары в рельсовой колее с)та>; — 2Дтах ;

- разбег колесной пары в колее увеличить не за счет уширения рельсовой колеи, а за счет уменьшения колесной колеи, т.е.

^тах = 2А = 5 - .

3. Уменьшение колесной колеи осуществить путем сдвига профилей катания и гребней в сторону средней части колесной пары. Переход осуществить в два этапа:

Этап 1:

Колесные пары с формированием (насадкой) по тыльному размеру Т-1437-1439 мм обрабатывать по смещенному профилю катания ПКС-У1.1 с базовым размером Т—1437+2 мм.

Колесные пары с формированием по 1=4440-1443 мм предварительно наплавлять с тыльной стороны гребня и обода в соответствии с технологической документацией ТИ-5-02-97/27 и обрабатывать по профилю со смещением типа ПКС-У2.4 и базовым размером Т=1436 мм.

Этап 2;

Новые колеса изготавливать с уширенным ободом и смещенным профилем катания по типу ПКС-У3.7.

Колесные пары формировать с базовым размером Т=1436+2мм и шириной колеи К0=1502мм.

4. Устойчивость колесных пар со смещенными профилями катания против провала внутрь рельсовой колеи обеспечивается и выше предельно допустимой в 1.22-1.5 раза.

5. Устойчивость колесных пар со смещенными профилями катания против вкатывания на головку рельса наружной стороной гребня в относительных величинах нагрузок не ниже предельно допустимой и составляет

^•тт = (0,94..1,14)^ > К™ = 0,94Кя

6. Устойчивость колесных пар с тыльной наплавкой гребней против вкатывания на головку рельса наружной стороной гребня на уровне типовых без наплавки К У ппп = (0,94.. 1,14) Кц и выше устойчивости колесных пар с наружной наплавкой гребней.

7. Типовые колесные пары с наружной наплавкой гребней малоуглеродистой проволокой имеют устойчивость против вкатывания на головку рельса ниже предельно допустимой в 1,2... 1,7 раза, что ведет к ухудшению безопасности движения.

8. Колесные пары с тыльной наплавкой гребней малоуглеродистой проволокой имеют устойчивость против вкатывания тыльной стороной гребня на элементы стрелочных переводов Ку = (1,63.. 1,98)^, которая выше наружной устойчивости в 1,73...2,1 раза ввиду большого угла наклона тыльного профиля гребня в расчетном сечении. Это обеспечивает безопасность движения колесных пар по стрелочным переводам.

9. Типовые колесные пары и колесные пары с профилем обода колеса ВНИИЖТ заклинивают на сердечник крестовины =-2) вследствие большого тыльного размера между внутрегашми гранями колес.

10. Колесные пары с формированием по тыльному размеру Т~1436+2мм, профили ПКС-У2.4, ПКС-У2.6, ПКС-У3.7, ПКС-У3.9 имеют небольшое заклинивание по острякам (Дог = 1 лш). Учитывая то, что остряки могут иметь изно-сы, то заклинивание практически не будет иметь место. При одновременном касании колесными парами двух остряков, боковая нагрузка от колесной пары перераспределяется на два остряка. Благодаря этому нагружеииость уменьшается.

11. Колесные пары с профилями катания колес ПКС-2.5 и 1ЖС-У3.8 при прохождении желобов остряков и крестовин во всех случаях заклинивания не имеют.

12. Все колесные пары с профилями УрГАПС по толщине гребней, боковым зазорам и условиям прохождения желобов остряков и крестовин могут быть рекомендованы к использованию в эксплуатации.

Публикации автора по теме диссертации:

1. Сенаторов С. А., Сирина Н. Ф., Власов С. А. Прогнозирование износа колесных пар грузовых вагонов и пути / УрГАПС; 1996 - Вып. 4(86): Повышение надежности, совершенствование ремонта и технического обслуживания вагонов.-С. 71-81.

2. Патент №2093331, 6 В 23 Р6/00 «Способ восстановления гребней ободьев железнодорожных колес и обод железнодорожного колеса». /Авторы Сенаторов С. А., Власов С. А., Зайчеико Ю. А., Акулов В. А., Ивашов В.А. (Россия). -2с.: шт - опубл.20.10.97, бюл. №29.

3. Сенаторов С. А., Свяжин С. А., Черников А. А., Петров В. В., Власов С. А., Акулов В. А. Конструтапвно-техиологический способ повышения ресурса работы колесных пар подвижного состава// Железнодорожный транспорт сегодня и завтра: Тез. докл. Юбилейной научно-технической конференции. Часть I /УрГАПС.- Екатеринбург, 1998,- С. 10.

4. Власов С. А. Устойчивость колесных пар со смещенным профилем катания против провала внутрь рельсовой колеи// Железнодорожный транспорт сегодня и завтра: Тез. докл. Юбилейной научно-технической конференции Часть П /УрГАПС,- Екатеринбург, 1998,- С. 17.

5. Власов С. А. Прохождение колесных пар со смещенным профилем катания колес по стрелочным переводам// Железнодорожный транспорт сегодня и завтра: Тез. докл. Юбилейной научно-технической конференции Часть II /УрГАПС,- Екатеринбург, 1998,- С. 19.

6. Сенаторов С. А., Власов С. А. Кинематика колесной пары вагона при свободном качении на прямых участках пути// Железнодорожный транспорт се-

годня и завтра: Тез. докл. Юбилейной научно-технической конференции Часть II /УрГАПС,- Екатеринбург, 1998.- С. 21.

7. Сенаторов С. А., Власов С. А. Кинематика колесной пары вагона при свободном качении с учетом неровностей пути в плане// Железнодорожный транспорт сегодня и завтра: Тез. докл. Юбилейной научно-технической конференции Часть П /УрГАПС.- Екатеринбург, 1998,- С. 23.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОФИЛЯ КАТАНИЯ И ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА КОЛЕСНЫХ ПАР ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

ВЛАСОВ Сергей Александрович

05.22.07-Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Подписано к печати 2.3 ■■(■(• Зак.№ усл.-печ. №_

Формат 60x84 1/16 _Тираж 100 экз

Тип. Щ,2АПС. £¿0034 г Екатеринбург > уЛ Колмогорова,,€£