Дніпропетровський державний технічний університет

залізничного транспорту

РЕЙДЕМЕЙСТЕР Олексій Геннадійович

УДК 629.4.027.1.004.62:629.4.015

ВПЛИВ ПАРАМЕТРІВ ХОДОВИХ ЧАСТИН ТА ФОРМИ ПРОФІЛЮ ПОВЕРХНІ КАТАННЯ КОЛІС НА ДИНАМІЧНІ ПОКАЗНИКИ ВАНТАЖНИХ ВАГОНІВ ТА ЗНОС В ПАРІ "колесо–рейка"

05.22.07 — Рухомий склад залізниць та тяга поїздів

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дніпропетровськ—2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі будівельної механіки Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту Міністерства транспорту України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор ДАНОВИЧ Віктор Данилович, завідувач кафедрою колії та колійного господарства Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор ГОЛУБЕНКО Олександр Леонідович, ректор Східноукраїнського державного університету;

кандидат технічних наук, доцент ШАТУНОВ Олександр Васильович, доцент кафедри вагонів Дніпропетровського державного університету залізничного транспорту.

Провідна установа:

Харківська державна академія залізничного транспорту Міністерства транспорту України, кафедра вагонів, м. Харків.

Захист відбудеться 27 листопада 2000 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .820.02 при Дніпропетровському державному технічному університеті залізничного транспорту, що знаходиться за адресою: м. Дніпропетровськ, вул. Акад. Лазаряна, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту.

Автореферат розісланий 25 жовтня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради Жуковицький І. В.

Загальна характеристика роботи

В даний час знос у парi "колесо-рейка" є однiєю з найбiльш гострих проблем залiзничного транспорту України i країн СНД. Масовi вилучення з експлуатацiї рухомого складу для обточки i замiни колiсних пар призвели до обмеження навантажувальних ресурсiв i утрудненню в забезпеченнi перевiзного процесу. Залiзничний транспорт терпить значнi збитки.

По оцiнках, що не враховують заходи щодо зниження зносiв бiчної поверхнi голiвки рейок i гребенiв колiсних пар рухомого складу, iнтенсивнiсть останнiх у поточний перiод у порiвняннi з базовим перiодом до 1985 року збiльшилася у вiсiм разiв. Щоб намiтити достатньо ефективнi заходи по зменшенню зносiв, необхiдно насамперед визначити причини їхньої появи, а також ступiнь їх впливу на ресурс рейок i колiсних пар рухомого складу. Аналiз численних матерiалiв i дослiджень показав, що iснує бiля десятьох чинникiв, що спiльно впливають на знос пари "колесо-рейка". З них безпосередньо до рухомого складу вiдносяться конструкцiя i параметри ходових частин i профiль поверхнi катання колiс. У данiй роботi дослiджується вплив цих чинникiв на знос колiс, динамiчнi показники i показники безпеки руху вантажного вагона. У якостi основного об'єкта обраний напiввагон на вiзках моделi 18-100 як найбiльш масова одиниця рухомого складу.

Актуальнiсть теми обумовлена необхiднiстю зменшення зносу гребенiв рухомого складу. Переважну частину парку вантажних вагонiв становлять чотиривiснi вантажнi вагони на вiзках моделi 18-100, тому доцiльно в першу чергу надати рекомендацiї, що дозволили б знизити iнтенсивнiсть зносу гребенiв колiс саме цього типу рухомого складу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати даного дослiдження використовувалися для науково-дослiдної роботи "Розробка рекомендацiй по зниженню зносу колiс i рейок за рахунок зменшення сил динамiчної взаємодiї залiзничних екiпажiв i колiї з урахуванням стацiонарних i нестацiонарних режимiв руху" (№91.134.95.97), що виконана в галузевiй лабораторiї динамiки i мiцностi рухомого складу Днiпропетровського державного технiчного унiверситету залiзничного транспорту (ДIIТу) за договором iз Державною адмiнiстрацiєю залiзничного транспорту України (Укрзалiзницею) у рамках "Програми науково-дослiдних i дослiдно-конструкторських робiт iз проблеми зниження наднормативних зносiв пари "колесо-рейка", пiдвищенню надiйностi i довговiчностi рейок i колiсних пар рухомого складу", що прийнята Державною адмiнiстрацiєю залiзничного транспорту (Укрзалiзницею).

Мета та задачi дослiдження. Мета роботи полягає в розробцi рекомендацiй щодо зменшення iнтенсивностi зносу гребенiв колiс вантажних вагонiв при збереженнi конструкцiї ходових частин (трьохелементнi вiзки моделi 18-100). При цьому необхiдно забезпечити утримання в припустимих межах ходових якостей вагонiв та контактних напружень, що виникають в парi "колесо-рейка". Таким чином, об'єктом дослiдження є знос гребенiв колiс та якiсть ходу рухомого складу. Предметом дослiдження є вплив на iнтенсивнiсть зносу гребенiв та динамiчнi показники вагонiв параметрiв ходових частин та форми профiлю поверхнi катання колiс. Для досягнення поставленої мети потрiбно вирiшити наступнi задачi: —

визначити параметри, вiд яких залежить iнтенсивнiсть зносу в парi "колесо-рейка"; —

розробити методику вивчення впливу цих параметрiв на iнтенсивнiсть зносу гребенiв колiс рухомого складу, ходовi якостi вагона та контактнi напруження в парi "колесо-рейка"; —

розробити модель взаємодiї колеса та рейки, яка ураховує реальну форму поверхонь тiл, що контактують, їх пружнi та трибологiчнi характеристики та дозволяє обчислювати сили взаємодiї колеса та рейки, показники, що характеризують iнтенсивнiсть зносу та контактнi напруження; —

удосконалити математичну модель чотиривiсного вантажного вагону, перевiрити вiрогiднiсть результатiв, що отриманi з її допомогою, та написати програму для ЕОМ, призначену для визначення ходових якостей вагона та iнтенсивностi зносу в парi "колесо-рейка" за розробленою моделлю; —

виконати розрахунки впливу параметрiв ходових частин та форми поверхнi колiс рухомого складу на iнтенсивнiсть зносу i контактнi напруження в парi "колесо-рейка" та на ходовi якостi вагона; —

провести аналiз отриманих результатiв та розробити рекомендацiї щодо зменшення зносу гребенiв колiс рухомого складу.

Методи дослiдження. Визначення динамiчних показникiв вагона, iнтенсивностi зносу та контактних напружень в парi "колесо-рейка" зроблене за допомогою метода математичного моделювання, при побудовi моделi вагона використовувались методи аналiтичної механiки та теорiї пружностi. Вiрогiднiсть результатiв, отриманих шляхом математичного моделювання, встановлена зiставленням цих результатiв з даними, отриманими завдяки методам експериментального дослiдження динамiки рухомого складу та спостереження за рухомим складом, що знаходиться в експлуатацiї.

Наукова новизна отриманих результатiв полягає в наступному: —

удосконалено модель взаємодiї колеса та рейки, що враховує реальну форму поверхонь цих тiл, дозволяє розглядати одночасний контакт у декiлькох точках та розраховувати сили взаємодiї колеса та рейки, показники, що характеризують iнтенсивнiсть зносу, та контактнi напруження; —

удосконалено математичну модель вантажного вагона з метою бiльш точного та докладного вивчення його поведiнки насамперед в кривих дiлянках колiї, де спостерiгається найiнтенсивнiший знос гребенiв колiс рухомого складу; —

запропоновано методику визначення залежностi ходових якостей вагона, iнтенсивностi зносу в парi "колесо-рейка" та контактних напружень вiд параметрiв ходових частин та форми поверхнi катання колiс, як нових, так i зношених.

Практичне значення одержаних результатiв: —

на пiдставi отриманих даних про вплив параметрiв ходових частин на iнтенсивнiсть зносу гребенiв колiс наданi рекомендацiї щодо технiчного утримання ходових частин, якi дозволяють зменшити знос гребенiв колiс; —

виконаний аналiз залежностi iнтенсивностi зносу гребенiв колiс, ходових якостей вагона та контактних напружень в парi "колесо-рейка" вiд форми поверхнi катання колiс та рейок, на пiдставi якого наданi рекомендацiї щодо форми поверхнi катання колiс, яка дозволяє зменшити знос гребенiв колiс та зберегти в припустимих межах динамiчнi показники вагонiв; —

на пiдставi аналiзу залежностi динамiчних показникiв вiд форми та ступеню зносу колiс зроблений висновок про доцiльнiсть використання зношених колiс при визначеннi ходових якостей вагона шляхом ходових динамiчних випробувань.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем розроблена модель взаємодiї колеса i рейки [1,2,4,7], розроблена математична модель вагона, написана програма розрахунку показникiв зносу i динамiчних показникiв екiпажа на ЕОМ i отриманi результати про вплив на цi показники стану ходових частин i форми поверхнi катання колеса [3,5,9].

Апробацiя результатiв дисертацiї. По матерiалам, викладеним у дiйснiй роботi, зробленi доповiдi на VIII i X конференцiях "Проблеми механiки залiзничного транспорту" (травень 1992 р. i травень 2000 р., ДIIТ, Днiпропетровськ), 5-й i 6-й конференцiях "Vehicle system dynamics, identification and anomalies" (листопад 1996 р. i листопад 1998 р., Технiчний унiверситет Будапешта, Будапешт, Угорщина), науково-практичної конференцiї "Проблеми взаємодiї колiї та рухомого складу" (жовтень 1998 р., ДIIТ, Днiпропетровськ), семiнарi молодих

вчених при Науково-технiчному центрi залiзниць (вересень 1998 р., ZNTK, Варшава, Польща), Днiпропетровському мiському семiнарi з механiки (травень 1999 р.) та семiнарi кафедри будiвельної механiки ДIIТу.

Публiкацiї. Основнi результати дисертацiї вiдбитi в 6 статтях i 3 тезах конференцiй.

Структура та обсяг роботи. Дисертацiйна робота складається з вступу, чотирьох роздiлiв, висновкiв, списку використаних джерел i двох додаткiв. Рукопис мiстить 161 сторiнку (iз них 11 сторiнок займають додатки, 13 сторiнок — список використаних джерел, на 16 окремих сторiнках розмiщенi iлюстрацiї та таблицi), 59 рисункiв i 12 таблиць. Список використаних джерел мiстить у собi 141 найменування.

Основний змiст

У вступi мiститься обґрунтування теми роботи, постановка мети i задач дослiдження, описується наукова новизна роботи та її практична цiннiсть.

У першому роздiлi наведений огляд лiтератури, присвяченої аналiзу причин пiдвищеного зносу гребенiв колiс рухомого складу i бiчного зносу рейок, взаємодiї колеса i рейки та моделюванню системи "екiпаж-залiзнична колiя". Цим питанням присвяченi роботи П. С. Анiсiмова, В. М. Бєлоусова, Є. П. Блохiна, В. М. Богданова, Г. Богомаза, Ю. П. Бороненка, А. П. Буйносова, М. Ф. Верiго, С. В. Вершинського, I. Галiєва, О. Л. Голубенка, Л. О. Грачової, В. Д. Дановича, Ю. В. Дьомiна, В. П. Єсаулова, О. Я. Когана, М. Л. Коротенка, С. М. Куценка, В. А. Лазаряна, Л. А. Манашкiна, Н. А. Панькiна, Ю. С. Ромена, О. В. Сладковського, М. М. Соколова, В. Ф. Ушкалова, В. Д. Хусiдова, В. Н. Шестакова, В. В. Широглазова тан.

Збiльшення iнтенсивностi зносу гребенiв колiс i бiчного зносу рейок пов'язується з низкою причин, серед яких: недолiки конструкцiї i технiчний стан ходових частин, несприятливi режими експлуатацiї рухомого складу, змiна норм утримання залiзничної колiї та iї фактичний стан, далеке вiд оптимального спiввiдношення твердостей колеса i рейки та iн.

У цьому ж роздiлi виконаний аналiз iснуючих критерiїв iнтенсивностi зносу в парi "колесо-рейка" i наведено обґрунтування використовуваного в дiйсному дослiдженнi критерiю — показника зносу (що обчислюється окремо для поверхнi катання i для гребеня), який уявляє собою вiдношення роботи сил псевдоковзання (тертя) до пройденого екiпажем шляху.

В другому роздiлi наведений опис математичної моделi вантажного вагона на стандартних трьохелементних вiзках, що рухається по iнерцiйнiй пружно-в'язкiй залiзничнiй колiї.

Екiпаж розглядається як система, що складається з одинадцятьох твердих тiл iз жорсткими, пружними i фрикцiйними зв'язками мiж ними. У тих випадках, коли звичайно вводяться жорсткi зв'язки, використовуються пружнi елементи великої жорсткостi, що дає можливiсть достатньо просто визначати значення вiдповiдної реакцiї зв'язку. Кутова швидкiсть обертання колiсної пари w не пiдпорядкована умовi (V — швидкiсть руху екiпажа, r — радiус колеса), оскiльки в кривих малого радiуса, де спостерiгається найбiльш iнтенсивний знос гребенiв, колiснi пари рухаються зi значними проковзуваннями, i ця умова не виконується. Крiм того, модель у такий спосiб стає придатної для дослiдження нестацiонарних режимiв руху.

Розроблено докладну модель взаємодiї колеса i рейки, у якiй враховуються форми цих тiл, їх пружнi i трибологiчнi характеристики. Розглядається можливiсть одночасного контакту цих тiл у декiлькох точках. Нормальна компонента сили взаємодiї розраховується за теорiєю контактної взаємодiї Герца, дотична — за теорiєю псевдоковзання Джонсона- Вермюлена.

Введемо системи координат Oxyz i O'xhz в такий спосiб. Точка O лежить на осi колiї на рiвнi головок рейок i рухається разом iз колiсною парою, вiсь Ox торкається осi колiї i спрямована у бiк руху екiпажа, вiсь Oy лежить у площинi колiї i спрямована вправо, вiсь Oz нормальна площини колiї i спрямована униз. Система координат O'xhz жорстко пов'язана з колесом. Точка O' лежить на осi колеса в площинi середнього кола катання, вiсь O'h збiгається з вiссю колiсної пари, а вiсь O'x паралельна площинi Oxy i складає гострий кут iз вiссю Ox.

Поверхнi колеса i рейки визначаються рiвняннями

(1)

(2)

де F, f - функції, що описують профіль колеса і рейки; yr, zr — віджаття рейкової нитки в горизонтальному поперечному і вертикальному напрямках; h g, h v — горизонтальна і вертикальна нерівності рейки; - зсув рейки, що відповідає рівній недеформованій колії.

Точкою торкання на колесі і відповідною їй точкою торкання на рейці назвемо точки, координати котрих (їх ми будемо надалі відзначати тильдою та рисою) задовольняють умовам (1) і (2) відповідно, і, крім того, нормаль до поверхні недеформированого колеса (1) у точці і нормаль до поверхні недеформированої рейки (2) у точці повинні бути паралельні. Можлива ситуація, коли відразу декілька пар точок задовольняють сформульованій вище умові (наприклад, одна пара точок відповідає контакту на поверхні катання, а друга — контакту на гребені), тому і введений індекс a , значення якого відповідають усім можливим точкам контакту.

Відстань між точками і

(3)

у тому випадку, коли має місце перекриття областей у просторі, що відповідають недеформированим колесу і рейці (тобто коли виконується умова ), трактується як величина контактної деформації (нормального зближення колеса і рейки). Нормальна компонента сили взаємодії колеса і рейки Na , контактні напруження s a і розміри піввісь контактного еліпса aa , ba обчислюються за теорією контактної взаємодії Герца і залежать від величини контактної деформації, пружних постійних матеріалу тіл , що контактують, головних кривизн поверхонь колеса і рейки в точці контакту та кута між головними площинами.

Для опису дотичних до площадки контакту складових сили взаємодії колеса і рейки зручно ввести ортогональну систему координат . Вісь паралельна осі Ox, вісь торкається поверхонь колеса і рейки в точці їхнього контакту і складає гострий кут із віссю Oy.

Проковзування колеса і рейки характеризується величиною кріпу, що уявляє собою відношення різниці швидкостей точок і (що розглядаються як фіксовані точки на поверхнях колеса і рейки) до швидкості руху колісної пари V. Компоненти кріпу (проекції кріпу на осі , ) визначаються по формулах

(4)

(5)

де xw, yw, zw - координати центру ваги колісної пари; J w, y w — кути бічної качки і виляння колісної пари; w w — кутова швидкість обертання колісної пари навколо своєї осі; 2b — відстань між середніми колами катання коліс; b a — кут нахилу площадки контакту колеса і рейки до горизонталі; W =V/R — кутова швидкість обертання системи координат Oxyz у плані при русі по правій круговій кривій радіуса R; значення індексу j=1 відповідає лівому колесу, j=2 — правому.

Поздовжня Ua і поперечна Va компоненти сили взаємодії колеса і рейки обчислюються відповідно до теорії псевдоковзання Джонсона-Вермюлена:

(6)

(7)

де m - коефіцієнт тертя ковзання між колесом і рейкою; ,  — приведені значення поздовжнього і поперечного кріпу; j , y 1 — обумовлені теорією Джонсона-Вермюлена функції відношення півосей еліпса контакту; ; G — модуль пружності другого роду для сталі (матеріалу, із якого виготовлені колесо та рейка).

Знос коліс характеризується величинами показників зносу, що розраховуються окремо для кожної точки контакту, і дорівнюють відношенню взятої зі зворотним знаком роботи сил псевдоковзання (тертя), що діють у цій точці, до пройденого екіпажем шляху L:

(8)

Надалі в якості значень індексу a будуть використовуватися букви “к”, “г”, що позначають точки контакту на поверхні катання і на гребені відповідно.

Для оцінки ходових якостей екіпажа використовуються значення рамної сили (вираженої в долях статичного навантаження від колісної пари на колію) і коефіцієнта запасу стійкості проти сходу з рейок, що обчислюється відповідно до чинної нормативної документації.

У цьому ж розділі проведене зіставлення динамічних характеристик екіпажа, отриманих у результаті моделювання, із даними ходових динамічних випробувань. Їхня задовільна відповідність підтвердила вірогідність розробленої моделі екіпажа.

У третьому роздiлi приведенi результати про вплив параметрiв вiзка моделi 18-100 на iнтенсивнiсть зносу в парi "колесо-рейка". Розглядалися такi параметри:

У третьому розділі приведені результати про вплив параметрів візка моделі 18-100 на інтенсивність зносу в парі “колесо-рейка”. Розглядалися такі параметри:

1) кут перекосу колісних пар y a (колісні пари розвертаються в різні боки, при цьому візок у плані приймає форму трапеції, кут y a вважається додатним, якщо перша колісна пара повертається за годинниковою стрілкою);

2) кут перекосу колісних пар y s (колісні пари повертаються в один бік, візок у плані приймає форму паралелограму, кут y s додатний, якщо перша колісна пара повертається за годинниковою стрілкою);

3) початковий поперечний зсув першої колісної пари D (D додатний, якщо колісна пара зміщається вправо);

4) різниця діаметрів лівого і правого коліс першої колісної пари D d1;

5) різниця діаметрів лівого і правого коліс другої колісної пари D d2;

6) різниця діаметрів коліс першої і другої колісної пари D d3;

7) різниця діаметрів коліс колісних пар першої і другої візків D d4;

8) момент опору поворотові візка відносно кузова M.

При вивченнi впливу на знос гребенiв параметрiв y a, y s, D зазори в буксах (як у поздовжньому, так i в поперечному напрямках) приймалися рiвними нулю. Це допущення виправдується тим, що, як показав експеримент, перемiщення колiсних пар вiдносно боковин незначнi (до 3-5 мм) i спостерiгаються при розгонi, гальмуваннi та у перехiдних кривих, у кругових же кривих, де i вiдбувається найбiльший знос гребенiв, колiсна пара займає деяке фiксоване положення щодо боковин.

Розрахунки виконувалися для дiлянок колiї таких типiв:

1) пряма;

2) права кругова крива радiуса R=600 м, узвишшя зовнiшньої рейки h=60 мм;

3) права кругова крива радiуса R=350 м, узвишшя зовнiшньої рейки h=100 мм.

Колiя рахувалася iдеально рiвною, без нерiвностей, її ширина — 1520 мм. Швидкiсть руху — 50 км/г. Параметри кузова напiввагона вiдповiдали його завантаженню до повної вантажопiдйомностi.

Найбiльш iнтенсивний знос спостерiгався в кривих на гребенi колеса, що набiгає, першої колiсної пари. Графiки залежностi показника зносу гребеня цього колеса вiд деяких iз розглянутих параметрiв вiзка наведенi на рис. .

З усiх розглянутих недосконалостей вiзка на iнтенсивностi зносу гребенiв колiс найбiльш помiтним чином позначаються рiзноспрямований перекiс колiсних пар (тобто такий перекiс, при якому вiзок у планi приймає форму трапецiї) i рiзниця дiаметрiв колiс на першiй колiснiй парi. Так, при кутi перекосу 10 мрад показник зносу гребеня в 2,7-3,2 рази бiльше, нiж при вiдсутностi перекосу (при русi в кривих малого i середнього радiуса). Слiд зазначити, що при кутi перекосу колiсних пар, що перевищує 2 мрад, а також при рiзницi дiаметрiв колiс на однiй колiснiй парi понад 2 мм з'являється знос гребенiв на прямих дiлянках колiї. Iншi недосконалостi вiзка позначаються на зносi гребенiв не настiльки помiтним чином i не призводять до зносу гребенiв на прямих.

Заслуговує на увагу та обставина, що при моментi опору повороту вiзка, рiвному 10 кН/м, показник зносу гребеня лише на 5-7% вище, нiж при його вiдсутностi. Це цiкаво, тому що введенням додаткового опору повороту вiзка вiдносно кузова можна домогтися збiльшення дiапазону швидкостей, при яких рух екiпажа стiйкий. При цьому побiчний ефект, що полягає в можливому збiльшеннi iнтенсивностi зносу гребенiв, буде невеликим. На другiй колiснiй парi першого вiзка показник зносу гребеня помiтно менше, нiж на першiй, i не перевищує 0,3 кДж/м. Цiкаво вiдзначити, що цей розмiр бiльш чутливий до змiни всiх розглянутих параметрiв вiзка, нiж показник зносу гребеня на першiй колiснiй парi.

Показники зносу поверхонь катання колiс змiнювалися, як правило, тим же чином, що i показники зносу гребенiв. Найбiльше iнтенсивний знос вiдзначався на колесi , що не набiгає, першої колiсної пари.

Коефiцiєнт запасу стiйкостi проти сходу з рейки у усiх випадках був вище того, що припускається дiйсною нормативною документацiєю (1,4). Найменшого значення (1,51) цей показник досяг при y a=10 мрад у кривiй радiуса 350 м.

Нас також цiкавила орiєнтацiя вiзка в кривих. У бiльшостi випадкiв орiєнтацiя першої колiсної пари була близька до радiальної (кут набiгання не перевищував 2-3 мрад), у той час, як кут набiгання першої колiсної пари досягав 7-10 мрад i бiльше (при рiзноспрямованому перекосi колiсних пар — до 25 мрад).

У четвертому роздiлi розглядається вплив на знос гребенiв i динамiчнi характеристики вагона форми профiлю поверхонь колiс i рейок. У першому пiдроздiлi вивчаються реально iснуючi профiлi, у другому — профiль колеса, що має найпростiшу форму (тобто профiль колеса з прямолiнiйними утворюючими поверхнi катання i гребеня), у третьому — зношенi профiлi колiс (окремо розглядаються профiлi з переважним зносом поверхнi катання i з переважним зносом гребеня) i рейок. Крiм показникiв зносу аналiзуються динамiчнi характеристики екiпажа (рамна сила i коефiцiєнт запасу стiйкостi колеса проти сходу з рейки) i величини контактних напружень.

У першому пiдроздiлi розглядаються такi профiлi колiс:

1) стандартний для вагонних колiс (ГОСТ 9036-76);

2) ВНДIЗТ;

3) ДМетI ВБ;

4) Хеймана-Лотера;

5) S1002;

i рейок:

1) Р65 (ГОСТ 8161-75), пiдуклiнка 1/20;

2) UIC60, пiдуклiнка 1/40.

З п'ятьох розглянутих профiлiв колiс найпростiша форма у стандартного. На цьому профiлi працюють двi дiлянки — прямолiнiйна дiлянка в районi середнього кола катання (iї ухил дорiвнює 1/20) i прямолiнiйна дiлянка на гребенi (утворює кут iз горизонталлю, рiвний 60°). Точка контакту з рейкою в мiру бiчного вiднесення колеса перемiщається по колу катання, потiм стрибком переходить на гребiнь. Про таку ситуацiю говорять як про двохточковий контакт (у момент переходу точки контакту з кола катання на гребiнь колесо торкається рейки в двох точках одночасно). Така форма профiлю призводить до пiдвищеного зносу гребенiв (у кривих малого i середнього радiуса колесо притискається гребенем до зовнiшньої рейки, має мiсце торкання в двох точках одночасно, при цьому проковзування на колi катання незначне, а на гребенi велике, що i призводить до великих показникiв зносу). Iншi профiлi мають бiльш складну (т. з. криволiнiйну) форму, що має виправити цю хибу. Ухил поверхнi катання в цьому випадку перемiнний i збiльшується в мiру наближення до гребеня. Передбачається, що при цьому за рахунок збiльшення конiчности буде збiльшений радiус кривої, що припускає кiнематичне (без торкання гребенем) вписування колiсної пари, а за рахунок виключення двохточкового контакту вдасться зменшити проковзування на гребенi в кривих малого радiуса. Цей пiдхiд вiдповiдає сучасної тенденцiї проектування профiлю колiс рухомого складу. Зрозумiло, профiль колеса повинний розроблятися з урахуванням профiлю рейок, на яких екiпажi з цими колесами будуть їздити. Якщо ж цiєю обставиною зневажити, то виключити двохточковий контакт (тобто домогтися того, щоб точка контакту колеса i рейки плавно переходила з кола катання на гребiнь) не вдасться. Так, серед десятьох розглянутих комбiнацiй профiлю колеса i профiлю рейки, одноточковий контакт має мiсце лише в трьох випадках: "ДМетI ВБ — Р65", "ДМетI ВБ — UIC60", "S1002 — UIC60". Сказане iлюструє рис. , на якому показано, як перемiщається точка контакту уздовж профiлiв колеса i рейки в мiру бiчного вiднесення колеса.

Кiлькiсною характеристикою ступеня змiни радiусiв колiс є ефективна конiчнiсть — вiдношення рiзницi радiусiв лiвого i правого колiс у точках їхнього торкання з рейками до величини бiчного вiднесення колiсної пари. Для аналiзованих профiлiв колiс при перемiщеннях у межах зазора в колiї цей розмiр приймає такi значення. У випадку рейок типу Р65 — 0,4-0,6 для профiлю ДМетI ВБ, i до 0,1 — для iнших профiлiв. У випадку рейок типу UIC60 — 0,4-0,8 для профiлю ДМетИ ВБ, 0,2-0,3 для профiлiв S1002 i Хеймана-Лотера, до 0,1 — для стандартного профiлю i профiлю ВНДIЗТ.

Розрахунки показникiв зносу, контактних напружень i коефiцiєнта запасу стiйкостi проти сходу з рейки виконувалися для навантаженого вагона, що рухається зi швидкiстю 50 км/г по кривим радiусiв 350 м (узвишшя зовнiшньої рейки 100 мм) i 600 м (узвишшя зовнiшньої рейки 60 мм). Колiя вважалася iдеально гладкою. Результати розрахункiв показникiв зносу приведенi в табл. .

З табл. видно, що найменший знос гребенiв спостерiгається для тих комбiнацiй профiлю колеса i профiлю рейки, при яких має мiсце одноточковий або близький до одноточкового контакт — "ДМетI ВБ — Р65", "S1002 — Р65", "ВНДIЗТ — UIC60", "ДМетI ВБ — UIC60", "S1002 — UIC60". Близьким до одноточкового вважається такий контакт колеса i рейки, при якому початкова точка торкання гребеня колеса i рейки змiщається до основи гребеня (як, наприклад, при контактi колiс iз профiлем ВНДIЗТ з рейками типу UIC60, рис. ). Зниження показника зносу для, наприклад профiлю ДМетI ВБ, у порiвняннi зi стандартним складає 20-45%. Належить також вiдзначити, що показник зносу гребеня у випадку рейок типу UIC60 у середньому на 5-20% нижче, нiж у випадку рейок типу Р65 при тих же профiлях колiс.

Таблиця 1 - Показники зносу гребеня колеса , що набігає, першої і другої колісних пар, показник зносу поверхні катання колеса, що не набігає, першої колісної пари , кДж/м

Тип Профіль Радіус кривої

рейки Колеса 600 м 350 м

Р65 Стандартний 0,369 0,012 0,106 0,417 0,223 0,219

ВНДІЗТ 0,445 0,280 0,139 0,498 0,296 0,229

ДМетІ ВБ 0,204 0 0,159 0,299 0 0,241

"Хейман-Лоттер" 0,396 0,288 0,150 0,451 0,281 0,252

S1002 0,255 0,004 0,137 0,412 0,029 0,198

UIC60 Стандартний 0,326 0,053 0,113 0,385 0,196 0,221

ВНДІЗТ 0,216 0,084 0,126 0,258 0,070 0,206

ДМетІ ВБ 0,192 0 0,162 0,306 0 0,243

"Хейман-Лоттер" 0,263 0 0,111 0,314 0,160 0,219

S1002 0,194 0 0,135 0,320 0,005 0,203

Контактнi напруження на гребенi (перевищуючi контактнi напруження на поверхнi катання в 2-5 разiв) для рiзних профiлiв вiдрiзняються друг вiд друга незначно — на 5-15% у залежностi вiд типу рейки i радiуса кривої, при тому, що сили, якi викликають цi напруження, вiдрiзняються на 30-40%. Це пояснюється тим, що у випадку одноточкового контакту поверхня колеса має деяку ненульову кривизну у поперечному напрямку, виходить, вона ближче до кривизни рейки, що i призводить до зниження напружень або до меншого їхнього збiльшення в порiвняннi зi збiльшенням сили.

Коефiцiєнт запасу стiйкостi проти сходу з рейок у всiх розглянутих випадках перевищує своє значення, що припускається (1,4), i збiльшується зi збiльшенням кута нахилу гребеня.

Значення рамної сили, що дiє на першу колiсну пару, приведенi в табл. . Розрахунки рамної сили виконувалися для швидкостi руху 70 км/г по колiї з нерiвностями. Розрахунки були виконанi як для навантаженого, так i для порожнього вагонiв. Для навантаженого вагона значення рамних сил при рiзноманiтних профiлях вiдрiзняються одне вiд одного не бiльш, нiж на 20%, при цьому не проглядається залежнiсть нi вiд ефективної конiчности, нi вiд характеру контакту колеса з рейками (одноточковий вiн або двохточковий). У випадку порожнього напiввагона видна чiтка залежнiсть рамної сили вiд ефективнiй конiчности. При невисокiй (до 0,15) ефективнiй конiчностi рамна сила приймає значення в межах 0,190-0,225 i досягає помiтно бiльших значень (0,24-0,35) при бiльшiй ефективнiй конiчностi. Особливо велика рамна сила у випадку профiлю ДМетI ВБ, що має найвищу ефективну конiчнiсть серед розглянутих профiлiв. Зазначене явище пояснюється втратою стiйкостi незбуреного руху i виниклим унаслiдок цього iнтенсивним вилянням колiсних пар.

Таблиця 2 — Рамна сила (у долях статичного навантаження від колісної пари на колії), що діє на першу колісну пару вагона при русі по прямій ділянці колії

Тип рейки Профіль колеса Навантажений вагон Порожній вагон

Р65 Стандартний 0,150 0,191

ВНДІЗТ 0,142 0,197

ДМетІ ВБ 0,136 0,334

"Хейман-Лоттер" 0,150 0,223

S1002 0,122 0,180

UIC60 Стандартний 0,151 0,202

ВДНІЗТ 0,135 0,207

ДМетІ ВБ 0,147 0,340

"Хейман-Лоттер" 0,149 0,245

S1002 0,131 0,259

Таким чином, можна стверджувати, що за рахунок змiни форми профiлю колеса можна домогтися iстотного зменшення (до 2 разiв) iнтенсивностi зносу гребенiв. При цьому варто звертати увагу на те, щоб не погiршити динамiчнi показники вагона (у першу чергу, порожнього). На можливiсть iснування компромiсу мiж зниженням зносу гребенiв i зберiганням на вiдносно невисокому рiвнi динамiчних характеристик екiпажа вказують, наприклад, пари "S1002 — UIC60", "ВНДIЗТ — UIC60". Профiль колеса повинен мати невисоку конiчнiсть у районi середнього кола катання (для того, щоб забезпечити стiйкiсть руху екiпажа), що збiльшується в мiру наближення до гребеня (для того, щоб зменшити знос гребеня).

В другому пiдроздiлi розглянутий профiль iз прямолiнiйними утворюючими поверхнi катання i гребеня. Цей профiль має найпростiшу форму, тому цiкаво дiзнатися, чи не можна домогтися зменшення зносу, змiнивши параметри такого профiлю, не переходячи на криволiнiйний. На жаль, вiдповiдь на це питання виявилася негативною. При змiнi ухилу поверхнi катання з 1/40 до 1/10 показник зносу гребеня зменшився усього на 7-10%. Вiд товщини же гребеня iнтенсивнiсть його зносу практично не залежить.

В третьому пiдроздiлi аналiзуються профiлi зношених колiс та рейок. Як показали розрахунки, що виконанi для профiлiв зношених колiс (вiдповiднi профiлограми знятi з колiс вагонiв, що експлуатувалися в дослiдних маршрутах), внаслiдок зносу збiльшується конiчнiсть поверхнi катання, що призводить до зменшення iнтенсивностi зносу гребенiв та погiршенню динамiчних показникiв вагона (рамна сила, наприклад, збiльшується в 1,5-2 рази). Невисокi динамiчнi показники вагона, обумовленi незношеними колесами, мають мiсце впродовж перших 15-20% вiд загального термiну експлуатацiї.

Бiчний знос рейок призводить до зниження iнтенсивностi зносу гребенiв у 1,7-2,3 рази, при цьому не спостерiгається нi пiдвищення рiвня контактних напружень, нi погiршення динамiчних показникiв екiпажа.

Висновки

1. Робота присвячена розробцi рекомендацiй щодо зменшення iнтенсивностi зносу гребенiв колiс вантажних вагонiв. Актуальнiсть теми обумовлена тим, що за останнi 15 рокiв iнтенсивнiсть зносу гребенiв колiс рухомого складу на залiзницях України збільшилась в декiлька разiв, що призвело до значних збиткiв.

2. Розроблено математичну модель сукупних коливань екiпажа, розглянутого як система твердих тiл iз жорсткими, пружними i фрикцiйними зв'язками мiж ними, i залiзничної колiї. Вiрогiднiсть отриманих шляхом моделювання результатiв пiдтверджується їхнiм зiставленням iз результатами ходових динамiчних випробувань i даними про iнтенсивнiсть зносу гребенiв колiсних пар, що спостерiгалася в експлуатацiї.

3. Розроблено докладну модель взаємодiї колеса i рейки (що увiйшла в загальну модель взаємодiї екiпажа i колiї як її складова частина), що враховує реальну геометрiю поверхонь цих тiл. Передбачена можливiсть одночасного контакту колеса i рейки в декiлькох точках, для кожної

точки контакту обчислюються сила взаємодiї, контактнi деформацiя i напруження, вiдносне проковзування (крiп).

4. У якостi мiри iнтенсивностi зносу в парi "колесо-рейка" прийнятий показник зносу, що уявляє собою роботу сил псевдоковзання (тертя), що доводиться на одиницю пройденого екiпажем шляху. Поряд iз цим показником аналiзувалися значення величин, що характеризують безпеку руху екiпажа (коефiцiєнт запасу стiйкостi проти сходу з рейки), його ходовi якостi (рамна сила), навантаженiсть пари "колесо-рейка" (контактнi напруження) i орiєнтацiю вiзка в кривiй (кути набiгання колiсних пар).

5. Найбiльш iнтенсивно гребенi колiсних пар зношуються в кривих малого i середнього радiуса, але при наявностi деяких видiв недосконалостей ходових частин (перекiс колiсних пар, при якому вiзок у планi приймає форму трапецiї, рiзницi дiаметрiв колiс на однiй колiснiй парi), вiдзначається знос гребенiв i на прямих дiлянках колiї. Гребенi колiс на першiй колiснiй парi вiзка, як правило, зношуються iнтенсивнiше, нiж на другiй, але величина iнтенсивностi зносу на другiй колiснiй парi бiльш чутлива до параметрiв, що характеризують стан ходових частин i форму поверхнi катання колеса.

6. До найбiльшого росту iнтенсивностi зносу гребенiв призводить перекiс колiсних пар, при якому вiзок у планi приймає форму трапецiї (показник зносу на гребенi збiльшується в 2,7-3,2 рази при змiнi кута перекосу вiд 0 до 10 мрад). Величину кута перекосу варто обмежити 2 мрад, при бiльших значеннях починається швидке зростання показника зносу гребеня в кривих малого i середнього радiуса, з'являється знос гребенiв на прямих дiлянках колiї. Практично це обмеження варто здiйснювати шляхом зменшення допуску на рiзницю баз боковин i на сумарний поздовжній зазор у буксових вузлах.

7. При рiзницi дiаметрiв колiс на однiй колiснiй парi 2 мм вiдзначається збiльшення показника зносу на 15-20% у кривих малого i середнього радiуса, а також поява зносу гребенiв на прямих дiлянках колiї. Пiд час випуску вагона з ремонту потрiбно витримувати iснуючий допуск на цей параметр (1 мм).

8. Наявнiсть iнших недосконалостей ходових частин (перекiс колiсних пар, при якому вiзок у планi приймає форму паралелограма, початковий поперечний зсув першої колiсної пари, рiзниця дiаметрiв колiс на сусiднiх колiсних парах i на сусiднiх вiзках, опiр повороту вiзка вiдносно кузова) не призводять до iстотного збiльшення сумарного зносу гребенiв у кривих рiзних напрямкiв i на прямих дiлянках колiї.

9. Iнтенсивнiсть зносу гребенiв iстотно залежить вiд форми профiлiв поверхонь колеса i рейки. Обираючи профiль колеса i рейки з вже iснуючих (наприклад, профiль колеса S1002 i профiль рейки UIC60), можна домогтися зменшення iнтенсивностi зносу гребенiв у 1,5-2 рази. При перевищеннi ефективною конiчностю значень 0,25-0,30 спостерiгається хитливий рух порожнього екiпажа на швидкостях порядку 50-70 км/г.

10. При збiльшеннi ухилу прямолiнiйної утворюючої поверхнi катання до 1/10 показник зносу на гребенi зменшиться не бiльш, нiж на 10%, так що цей захiд не призведе до iстотного зниження iнтенсивностi зносу гребенiв. При створеннi (або виборi) нового профiлю поверхнi катання колеса варто орiєнтуватися на профiль iз криволiнiйною утворюючою (при цьому варто забезпечити невисоку ефективну конiчнiсть колеса в районi середнього кола катання, яка збiльшується в мiру наближення до гребеня, точка торкання гребеня колеса i рейки повинна знаходитися якнайближче до основи гребеня). Зменшення товщини гребеня не позначається на iнтенсивностi його зносу.

11. Як показали розрахунки, що виконанi для профiлiв зношених колiс (вiдповiднi профiлограми знятi з колiс вагонiв, що експлуатувалися в дослiдних маршрутах), внаслiдок зносу збiльшується конiчнiсть поверхнi катання, що призводить до зменшення iнтенсивностi зносу гребенiв та погiршенню динамiчних показникiв вагона (рамна сила, наприклад, збiльшується в 1,5-2 рази). Невисокi динамiчнi показники вагона, обумовленi незношеними колесами, мають мiсце впродовж перших 15-20% вiд загального термiну експлуатацiї. Тому в правилах проведення ходових динамiчних випробувань доцiльно обумовити використання зношених колiс з пiдвищеною ефективною конiчнiстю.

12. Бiчний знос рейок призводить до зниження iнтенсивностi зносу гребенiв у 1,7-2,3 рази, при цьому не спостерiгається нi пiдвищення рiвня контактних напружень, нi погiршення динамiчних показникiв екiпажа. Ця обставина дозволяє рекомендувати удосконалення профiлю головки рейки як ефективний захiд щодо зниження зносiв у парi "колесо-рейка".

Список праць, опублiкованих за темою дисертацiї

1. Данович В. Д., Рейдемейстер А. Г., Рябченко С. М. Определение изменения радиуса круга катания в зависимости от бокового перемещения колесной пары вагона// Механика транспорта: вес поезда, скорость, безопасность движения. Межвуз. сб. науч. трудов. — Днепропетровск: ДИИТ, 1994. — С. .

2. Данович В. Д., Рейдемейстер А. Г. Определение изменения радиуса круга катания колеса с учетом боковой качки и виляния колесной пары// Техническое содержание и использование подвижного состава. Межвуз. сб. науч. трудов. — Днепропетровск: ДИИТ, 1994. — С. .

3. Данович В. Д., Рейдемейстер А. Г. Оценка влияния состояния тележки модели 18-100 на износ в паре "колесо-рельс"// Транспорт. Збiрник наукових праць ДIIТу. Вип. . — Днiпропетровськ: "Наука i освiта", 1999. — С. .

4. Данович В. Д., Рейдемейстер А. Г. Математическая модель взаимодействия колеса и рельса// Транспорт. Збiрник наукових праць ДIIТу. Вип. . — Днiпропетровськ: "Наука i освiта", 1999. — С. .

5. Данович В. Д., Рейдемейстер А. Г. О влиянии формы профиля поверхности катания колеса на динамические показатели грузовых вагонов, износ колес и боковой износ рельсов// Транспорт. Збiрник наукових праць ДIIТу. Вип. . — Днiпропетровськ: "Нова iдеологiя", 1999. —С. .

6. Рейдемейстер А. Г. Как износ колес сказывается на интенсивности износа гребней, боковом износе рельсов и ходовых качествах грузовых вагонов// Транспорт. Збiрник наукових праць ДIIТу. Вип. . —Днiпропетровськ: "Нова iдеологiя", 1999. — С. .

7.Мельниченко Н. А., Рейдемейстер А. Г. Определение изменения радиуса круга катания// Тез. докл. VIII конференции "Проблемы механики железнодорожного транспорта". — Днепропетровск: ДИИТ, 1996. — С. .

8. Рейдемейстер А. Г. Влияние поверхности катания колес и профиля головки рельсов на износ колес и рельсов// Тез. докл. Международной научно-практической конференции "Проблемы взаимодействия пути и подвижного состава". — Днепропетровск: ДИИТ. 1998. — С. .

9. Данович В. Д., Рейдемейстер А. Г. Зависимость износа гребней отсостояния тележки модели 18-100// Тез. докл. X Международной конференции "Проблемы механики железнодорожного транспорта". — Днепропетровск: ДИИТ, 2000. — С. .

Анотацiя

Рейдемейстер О. Г. Вплив параметрiв ходових частин i форми поверхнi катання колiс на динамiчнi показники вантажних вагонiв i iнтенсивнiсть зносу в парi "колесо-рейка". — Рукопис. Дисертацiя на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук за спецiальнiстю 05.22.07 — рухомий склад залiзниць та тяга поїздiв. — Днiпропетровський державний технiчний унiверситет залiзничного транспорту Мiнiстерства транспорту України, Днiпропетровськ, 2000.

Шляхом математичного моделювання руху чотиривiсного вантажного вагона на трьохелементних вiзках отриманi залежностi iнтенсивностi зносу в парi "колесо-рейка" та ходових якостей вагона вiд параметрiв, що характеризують стан ходових частин, i форми профiлю поверхнi катання колiс. Результати моделювання зiставленi з даними ходових динамiчних i експлуатацiйних випробувань рухомого складу, що пiдтвердило їхню вiрогiднiсть. Виявлено недосконалостi вiзка, що призводять до пiдвищеного зносу гребенiв, запропонованi вимоги до технiчного стану ходових частин. Розглянуто ряд профiлiв поверхонь катання колiс як нових, так i таких, що мають рiзнi ступенi зносу. Зроблено висновок про доцiльнiсть застосування криволiнiйного профiлю колеса. Дано рекомендацiї про форму такого профiлю, що дозволила б iстотно знизити знос гребенiв колiс i зберегти в припустимих межах динамiчнi характеристики екiпажа.

Ключовi слова: вантажний вагон, знос гребенiв, пара "колесо-рейка", профiль колеса, ходовi частини.

Аннотация

Рейдемейстер А. Г. Влияние параметров ходовых частей и формы поверхности катания колес на динамические показатели грузовых вагонов и интенсивность износа в паре "колесо-рельс". —