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

Министерство Путей Сообщения Российской Федерации Уральская государственная академия путей сообщения

на правах рукописи

УДК 629.4.027.118

ВЛАСОВ Сергей Александрович

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОФИЛЯ КАТАНИЯ И ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА КОЛЕСНЫХ ПАР ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

05.22.07 Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.............................7

1.1. Краткий обзор и анализ исследований в области взаимодействия и

износа пары трения колесо-рельс............................................. ............7

1.2 Постановка задачи и метод её решения............................................12

2. КИНЕМАТИКА КОЛЕСНОЙ ПАРЫ...................................................16

2.1 Кинематика колесной пары вагона при свободном качении на прямолинейных участках пути........................................ . . V............16

2.2 Кинематика колесной пары при качении на участках пути с неровностями рельсовых нитей в плане...............................................22

2.3 Анализ исследований кинематики колесной пары..............................35

3. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ГРЕБНЕЙ И ПРОФИЛЕЙ КАТАНИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР ВАГОНОВ..... .......46

3.1 Варианты исполнения профилей катания колес вагонов......................47

3.2 Устойчивость колесных пар со смещенным профилем катания против провала внутрь рельсовой колеи и прохождении стрелочных переводов.......57

3.3 Анализ профилей катания..............................................................71

4. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ГРЕБНЕЙ КОЛЕСНЫХ ПАР ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ НАПЛАВКОЙ................................................. ....15

4.1 Оборудование наплавочного участка........................... ......... ...........79

4.2 Технология наплавки гребней колесных пар грузовых вагонов .............83

4.3 Контроль качества наплавленных гребней колесных пар.......................86

5. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ НАГРЕВ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ КОЛЕС ДЛЯ НАПЛАВКИ ГРЕБНЕЙ И ОТЖИГУ ПЕРЕД МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ...........................................................................90

5.1 Технические требования по эксплуатации высокочастотного генератора..92

5.2 Механическая обработка колесных пар по кругу катания.....................93

5.3 Техника безопасности................................................. ............95

6. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ИЗНОСУ ГРЕБНЕЙ КОЛЕСНЫХ ПАР ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ КОЛЕИ 1520 ММ.................................. .......96

7. ПРИБЛИЖЕННАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНСТРУКЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СПОСОБА УВЕЛИЧЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ

КОЛЕСНЫХ ПАР........................................................ ......... .......102

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......:.-.....,............................................................... .103

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................ ..............106

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................................117

-з-

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 и 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 ВНИИЖТ 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 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 гг 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 текущем 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

обод 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 колеи 1520 мм.

Научная новизна.

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

2. Получены зависимости для определения г, сру, (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 обод железнодорожного колеса позволяет:

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

2. ; величить 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 конструктивно-технологичекский комплекс применяется в вагоном депо ст. Гороблагодатская.

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 летаю 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. 1 ¡олучен один патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из 7 глав, общих выводов, списка использованной литературы и при жжений.

Текстовая часть работы изложена на 123 страницах машинописного текста и содержит 16 рисунков, 9 таблиц, 121 наименования использованной литературы.

-71. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Краткий обзор и анализ исследований в области взаимодействия и износа пары трения колесо-рельс

В течение последнего десятилетия катастрофически возрастают темпы износа колес подвижного состава и рельсов. Возникла угроза потери по этой причине работоспособности железных дорог либо колоссальных затрат на предотвращение сбоев движения поездов и поддержания безопасности перевозок. По различным оценкам, только на замену выработавших ресурс колес и рельсов ежегодно требуется от 3 до 9 млрд. рублей.

В конце 1994 года проблема износа колес и рельсов рассматривалась на научно-техническом совете МПС. По результатам этого рассмотрения было издано специальное указание министерства. В нем ставилась задача по увеличению срока службы бандажей локомотивов до 6000 тыс. километров, обеспечению бокового износа головк рельсов за период между плановыми заменами не боле 10 мм. По колесам вагонов критерии по износам не установлены /17/.

Цели снижения износов гребней колес и рельсов посвящены работы следующих отечественных ученых: М.Ф. Вериго, С.В. Вершинского, И. И. Галиева, Л.О. Грачевой, П.С. Анисимова, В.Р. Асадченко, Н.С. Бачурина, Е.П. Блохина, В.М. Богданова, Г.И. Богомаза, Ю.П. Бороненко, А.П. Буйносова, В.И. Доронина, Н.И. Ершовой, В.П. Есаулова, Ю.В. Зыкова, А.Я. Коган, В.Н. Котуранова, Л.Н. Косарева, В.В. Лукина, М.В. Орлова, H.A. Паиькина, B.E. Попова, В.В. Перекрестовой, Ю.С. Ромен, А.Н. Савоськина, М.М. Соколова, A.B. Смольянинова, В.Н. Филлипова, М.А. Фришмана, В.Д. Хусидова.

Авторы связывают увеличение интенсивности износа гребней колес и рельсов: с конструкцией и содержанием пути /1-4/; с содержанием подвижного состава /8-16, 21/, а также с изменением режимов движения поездов /15, 16. 24, 28. 64/ и норм загрузки вагонов /19/

Применение лубрикации рекомендуют авторы работ /1, 2, 4,13, 14, 45, 46, 69/, однако подчеркивают, что в нынешних условиях эта мера вынужденная. Применение смазки позволит уменьшить боковой износ гребней колес и рельсов в краткосрочном плане, так как причины интенсивного изнашивания этим не устраняются. Кроме того следует учитывать, что неправильное нанесение смазки, её чрезмерное количество могут в определенных условиях вызвать увеличение износа рельсов, сходы подвижного состава и другие негативные последствия.

Вопросам влияния на износ формы контактирующих поверхностей посвящены работы В.П. Есаулова, Л.Н. Косарева, Л.О. Грачевой, Л.П. Мелень-ева, В.Д. Даноч, А.Г. Рейдемейстер /10, 11,32, 45/.

Изменение профиля головки рельса (ГОСТ 8161-75) путем увеличения радиуса выкружки до 15 мм привело к появлению второго пятна контакта между колесом и рельсом. Вместе с пятном контакта по кругу катания появляется второй контакт на конусной части гребня колеса /28, 29 ,30, 32/.

Несоответствие профиля катания колес для выполнения условия качения колесной пары в кривых участках пути без набегания указано в работах /7, 28, 29, 30, 32 ,33 .34 ,35/. В результате применения профиля с уменьшенной конусностью колесная пара катится со скольжением колес по рельсам и набеганием гребня.

В работах /5, 6, 21 ,22, 23, 24, 25/ авторами рассматривается влияние на износ гребней колес повышение осевой нагрузки грузовых вагонов. По мере увеличения нагрузки до 23-25 тс. расчетный статический прогиб рессорного подвешивания тележки модели 18-100 возрастает до 54 мм. При этом уменьшается запас прогиба рессор на динамический прогиб до 28-31 мм, что приводит к неудовлетворительному гашению вертикальных и горизонтальных колебаний вагона. В действительности этот запас может оказаться меньше, что может привести к полному смыканию пружин.. рессорного комплекта. Увеличение жесткости рессорного подвешивания при смыкании пружин приводит; к чо^у, что силы, действующие от кузова .на. теле V и от колеса на

рельс, возрастают в 2-2.5 раза. Происходит увеличение направляющего усилия (ун) и, следовательно, увеличение износа пары трения колесо-рельс.

В трудах С.И. Минина /20/ приводятся сравнительные данные по износу гребней бандажей локомотивов на участках пути Улан-Баторской железной дороги, где ничего не менялось кроме величины ширины колеи. В работе сделан вывод, что основной причиной увеличения интенсивности изнашивания колес локомотива является недостаточная ширина колеи в кривых участках пути радиусом менее 650 м, при переходе на колею 1520 мм.

Увеличение интенсивности износа гребней колес и рельсов , связанных с 'унификацией" колеи отмечено в работах H.A. Панькина, Б.Д Никифорова /1,17/.

Вопросу влияния соотношения твердости колеса и рельса на условия их взаимодействия посвящены работы /3, 4, 12 , 16/. В результате объемной закалки рельсов их твердость больше в 1.5 раза твердости колес. Отечественные и зарубежные исследования рекомендуют твердость рельсов и колес примерно на одном уровне (HRC 320...360).

За последние 30 лет под влиянием ряда факторов в конструкцию, технологию изготовления и содержания пути перманентно вводились коренные изменения, сказавшиеся на взаимодействии колеса и рельса. Это развитие производства и массовое применение железобетонных шпал. При этом ради удешевления стоимости и увеличения выпуска шпал на заводах были приняты решения об унификации ширины колеи на базе 1520 мм на 98% протяженности сети в прямых и кривых участках пути радиусом до 350 м включительно. С 1981 года было введено пять ступеней отступлений размера содержания пути от номинальных вместо четырех.

Величина перекоса пути первой степени с 6 мм в 1975 году была увеличена до 8 мм, второй степени - соответственно с 10 до 12мм. Последняя, четвертая степень отступлений в 1975 году устанавливала перекосы более 15 мм, а в 1981 году - до 20 мм, пятая - более 20 мм. При этом перекос более 15 мм в 1975 году оценивался в 2000 баллов, а в 1981 году перекос более 20 мм -

только в 1000 баллов. Аналогичные положения существуют по оценке допускаемых просадок рельсовых нитей. Нулевой балл в 1975 году допускал просадку до 6 мм, а в 1981 году - до 10 мм. Наибольшая четвертая степень просадки в 1975 году была более 15 мм и оценивалась в 1000 баллов. В 1981 году допускаемая просадка пятой ступени установлена более 25 мм и оценивается в 500 баллов /17/.

В 60-х годах учеными путейцами удалось обосновать положение о том, что с ростом скоростей, при существовавших зазорах между колесом и рельсом, сильно возрастает воздействие подвижного состава на путь. Однако результаты испытаний грузовых вагонов на рельсах Р-50 и деревянных шпалах показали, что на скоростях до 90 км/ч при сужении колеи в прямых участках пути с 1524 до 1520 мм воздействие груженных вагонов на путь уменьшается всего на десятки килограммов, то есть в пределах точности измерений. При этом в кривых участках пути сужение колеи вызывает сильное увеличение воздействия вагонов на путь (на 1500-2000 кГс). Затем была пересмотрена инструкция по текущему содержанию пути, в которой установленны расши-реные пределы "отступления" от нормальных размеров и положений рельсовой колеи. При этом наличие сужения колеи (в том числе в радиусе до 350 м) величиной до 10 мм (т.е. до ширины 1510 мм) не препятствует удовлетворительной балльной оценки данного километра пути, тогда как раньше при сужении более 8 мм оценка километра однозначно определялась как неудовлетворительная.

В настоящее время на сети дорог встречается ситуация когда фактическая ширина рельсовой колеи составляет 1510 мм и даже менее, а ширина не изношенной колесной колеи - 1511 мм, т.е. рельсовая колея уже колеи колесной пары. Обследования проведенные на звеносборочных базах показали, что зачастую там собирают звенья с шириной колеи 1510 и 1512 мм, в том числе и при железобетонных шпалах. Такую сборку ведут с тем расчетом, чтобы уложив рельс по пределу сужения, не трогать его пока он не износится по пределу уширения, однако при этом колесная пара не может свободно

двигаться и работая в условиях сужения колеи, подвергается интенсивному подрезу и износу гребня. При больших боковых износах головок рельсов износ гребней возрастает из-за трения скольжения по всему профилю гребня и рельса/17/.

Авторы работ /16, 30, 41/ отмечают изменение характера взаимодействия пары трения колбсо-рельс в результате перевода вагона на роликовые подшипники. Существует мнение, что во время эксплуатации буксовых узлов на подшипниках скольжения из корпуса буксы вытекало масло и попадало в зону контакта колеса с рельсом, что влияло на их взаимодействие и уменьшало износ /16/.

В работах В.В. Неглинского, C.B. Вертинского, В.Р. Асадченко /36, 37, 40/ рассматривается влияние процесса торможения на износ колес. Особенно, влияет на износ экстренное торможение. Даже при исправных тормозах вагоны затормаживаются не одновременно по длине поезда и с разным усилием. Поэтому при резком торможении последние вагоны набегают на переднюю часть состава. Набегающие незаторможенные вагоны являются причиной возникновения больших сжимающих продольных сил в составе, а