ТРАНСВУЗ-2015.Часть 2

Ремонт и динамика подвижного состава

Вобщем случае взаимодействие пути и подвижного состава определяется особенностями конструкций ходовых частей подвижного состава и рельсовой колеи, а также качеством технического содержания локомотивов, вагонов и пути.

Одним из способов достижения этих целей является повышение осевых нагрузок, что связано с ужесточением требований к состоянию пути и искусственных сооружений, совершенствованием их текущего содержания и, соответственно, с увеличением затрат.

С точки зрения выживаемости железных дорог как отрасли экономики это означает, что, несмотря на принимаемые меры по повышению производительности и снижению издержек с целью улучшения финансового положения, в настоящее время большинство железнодорожных компаний не в состоянии обеспечить своевременную окупаемость капитальных вложений[1].

Для изменения ситуации в отрасли в лучшую сторону путем повышения осевых нагрузок и тем самым увеличения грузооборота на основных магистральных линиях железные дороги могут выбрать два решения: применить технологии, позволяющие ослабить напряженное состояние в зоне контакта колесо — рельс и повысить сопротивляемость инфраструктуры увеличивающимся нагрузкам с одновременным управлением ее характеристиками по несущей способности. Если обеспечивать возможность эксплуатации подвижного состава с более высокими осевыми нагрузками путем повышения прочности путевой структуры, что требует больших капитальных вложений и не всегда эффективно в разных условиях эксплуатации [2].

Внастоящее время приоритетным представляется путь ослабления напряженного состояния во взаимодействии колеса и рельса [3].

Рассматриваются четыре основных аспекта достижения поставленной

цели:

снижение уровня поперечных сил;

снижение статических и динамических (в том числе ударных) вертикальных нагрузок;

снижение контактных напряжений в колесах и рельсах;

улучшение динамических характеристик подвижного состава.

40

ТРАНСВУЗ – 2015

Использование имеющихся в распоряжении железных дорог технических новшеств или их сочетаний в любом из этих аспектов в разной степени изменяет энергетическую картину контакта и, соответственно, износ контактирующих тел.

Безопасность движения поездов, бесперебойность и рентабельность работы железнодорожного транспорта существенно зависят от конструкции локомотивов, вагонов и состояния пути. Железнодорожный путь и подвижной состав представляют собой единую механическую систему, в которой они взаимодействуют, находясь в зависимости друг от друга.

Назначение пути и ходовых частей подвижного состава заключается в направлении движения подвижного состава, в обеспечении для него непрерывной устойчивой опоры с минимальным сопротивлением движению. В реальных условиях рельсы и колеса имеют неровности на поверхностях катания, а так же некоторые технические особенности. В результате этих неровностей в элементах подвижного состава и пути возникают колебания, а между ними динамические силы взаимодействия.

При движении энергия локомотива затрачивается не только на поступательное перемещение, но и и на преодоление сил трения и возбуждение колебаний. Колебания в свою очередь вызывают износ и разрушение подвижного состава и пути. Основная задача исследования динамических процессов в системе «локомотив – путь» заключается в определении оптимальных значений параметров этой системы при которых значительно уменьшаются колебания и динамические силы. Для определения оптимальных параметров необходимо исследование колебательных процессов локомотива и его отдельных частей, установление критериев для оценки плавности хода, критериев устойчивости против схода с рельсов, опрокидывание и выдавливание вагонов из состава поезда, анализ способов подавления извилистого движения подвижного состава и вибрации его элементов [4].

При изучении процессов взаимодействия пути и подвижного состава исследуют колебания и динамические силы, развивающиеся в единой динамической системе «путь-экипаж».

Все задачи взаимодействия могут быть классифицированы по признаку «объект изучения» (ОИ). Под «объектом изучения» для верхнего строения пути понимают:

заданное сечение пути или одного рельса;

41

Ремонт и динамика подвижного состава

совокупность заданных сечений пути;

непрерывно заданный участок пути.

Под «объектом изучения» для подвижного состава понимают:

заданное колесо заданной единицы подвижного состава;

одноименные колеса однотипных экипажей;

все колеса заданного экипажа;

все колеса однотипных экипажей;

все колеса поезда.

В зависимости от сочетания «объекта изучения» для верхнего строения пути и «объекта изучения» для подвижного состава решается определенная задача с точки зрения взаимодействия верхнего строения пути и подвижного состава, оценки воздействия на путь, установления наибольших допускаемых скоростей движения заданного типа подвижного состава. При этом часть задач решается в детерминистической постановке, то есть начальные и граничные условия могут быть точно заданы. Большинство задач взаимодействия решается в стохастической (вероятностной) постановке. При оценке взаимодействия подвижного состава на путь представляют практический интерес следующие величины:

– силы, действующие на путь перемещения, скорости и ускорения элементов пути;

напряжения в элементах пути;

интенсивность накопления остаточных деформаций в элементах пути;

динамические силы в элементах подвижного состава;

напряжения в элементах подвижного состава;

перемещения, скорости и ускорения элементов подвижного состава. Взаимодействие пути и подвижного состава происходит в сложной

природно-климатической обстановке, факторы которой могут существенно изменять характер и силы взаимодействия рассматриваемой системы [5].

Наибольший экономический эффект достигается с помощью мероприятий, направленных в отношении верхнего строения железнодорожного пути [6].

Важное значение имеют фундаментальные исследования по выработке перспектив дальнейшего развития железнодорожного транспорта и

42

ТРАНСВУЗ – 2015

комплексной оценке его технического уровня. Должны быть решены научные проблемы обеспечения безопасности движения поездов, созданы и внедрены современные, высокоэффективные технические средства обеспечения безопасности, разработаны научные вопросы улучшения условий труда железнодорожников и ликвидации тяжелого ручного труда.

Список литературы

1. S. Kalay, J. Samuels. Railway Track & Structures, 2002, № 3, р. 13 – 16.

2. Угон пути // Железнодорожный транспорт: Энциклопедия / Гл. ред. Н. С. Конарев. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. – С. 61–

62.– ISBN 5-85270-115-7.

3.Львов, А. А. Взаимодействие пути и подвижного состава при высоких скоростях движения и повышенных осевых нагрузках [Текст] / А. А. Львов. – М.: Транспорт 1978 г.

4.Ковалев, Е. В. Экономическая эффективность улучшения динамических качеств подвижного состава / Е. В. Ковалев // «Экономика промышленности». Вып. В., 1900. – С .36–38.

5. Годыцкий – Цвирко, А. М. Взаимодействие пути и подвижного состава железных дорог / А. М. Годыцкий – Цвирко. – Гострансиздат, ОГИЗ, 1931.

6. Шаповалов, В. В. Устойчивость элементов железнодорожного пути и влияние их состояния на процесс динамического взаимодействия пути и подвижного состава / П. Н. Щербак, А. И. Шевченко, М. Б. Шуб // ВЕСТНИК РГУПС. – 2000 г. – №1. – С 88-92.

УДК 625.143.3:624.024

В. В. Шилер, А. В. Шилер, Н. А. Белоглазова

МЕТОДИКА АНАЛИЗА ОДИНОЧНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ НЕРОВНОСТЕЙ РЕЛЬСОВ

Разработана методика относительной оценки динамических свойств одиночных неровностей относительно критических параметров неровности, установленных правилами эксплуатации верхнего строения пути.

43

Ремонт и динамика подвижного состава

Согласно статистическим данным поездная нагрузка (по пропуску тоннажа), выдерживаемая рельсом в течение срока его службы до снятия с пути, варьируется от 100 млн. до 2,5 млрд. т брутто [6]. Причинами аварий и такого широкого диапазона (25 кратный) в ресурсе рельсов, как правило, является неудовлетворительная динамика системы «подвижной состав – пути».

Анализ показывает, что максимальные величины динамических добавок давления колеса на рельс, возникающие при движении подвижного состава, создаются на 90-99 % за счет неровностей в пути; за счет групповых неровностей на колесе – 1-4 %, от изолированных неровностей на колесе – 0,2 ÷ 1,5 % [2-5]. Волнообразный износ на отдельных участках поражает до 10 ÷ 30 % рельсов от общей протяженности рельсовых путей. По своей форме волнообразный износ разделяют на два характерных вида: короткие волны от 0,03 до 0,08 м, отличающиеся наличием светлых горбов в чередовании с темными впадинами (рифли), и с волнами длиной от 0,2 до 2 м. Многочисленными измерениями, приведенными во ВНИИЖТе [4] установлено, что наибольшее количество неровностей имеет длину до 1,2 м, а уклон от 0,3 до 13 0/00. Кроме неровностей, на работу системы «колесо – рельс» в разной степени оказывают влияние более 60 факторов. Для практических целей исследования взаимодействия колесной пары и верхнего строения пути, как показывает анализ работ [1-6], достаточно учета двух видов непрерывных отступлений: динамических и геометрических (волнообразный износ) неровностей пути.

В ОмГУПСе разработан и изготовлен путеизмерительный комплекс, предназначенный для одновременной регистрации с повышенной точностью восьми геометрических параметров рельсовой колеи: волнообразный износ и горизонтальные неровности обеих рельсовых нитей, ширина колеи, возвышение по уровню, межшпальное расстояние и зазор между шпалой и подошвой рельса, и боковой износ головки рельса. По результатам измерений рельсовой колеи выполнен статистический анализ и определены законы распределения амплитуд всех видов геометрических неровностей. Установлено, что амплитуды волнообразного износа имеют логнормальный закон распределения, который формируется при действии большого числа взаимно независимых факторов [3, 6]. При этом случайный прирост пропорционален уже достигнутому к этому моменту значению амплитуды волны (т.е.

44

ТРАНСВУЗ – 2015

интенсивность образования неровностей нарастает с увеличением их амплитуд). Все остальные виды неровностей имеют нормальный закон распределения амплитуд.

В частотной области спектры волнообразного износа получены через преобразование Фурье корреляционной функции. По рельсовым нитям спектры волнообразного износа отличаются, как по количеству пиков, так и по амплитудам. Волнообразный износ является источником высокочастотных колебаний системы «колесная пара – путь», воздействие которых на земляное полотно значительно снижает несущую способность грунта, что способствует увеличению интенсивности образования просадок и перекосов.

Статистический спектральный анализ имеет ряд недостатков. Так, в спектральном методе все формы траекторий усредняются за счет преобразования в гармонический ряд, который в спектральной плотности показывает распределение дисперсии амплитуд по частотам. Поэтому по спектральной плотности невозможно идентифицировать вид и протяженность групповых неровностей с различными длинами волн, установить форму траектории одиночной неровности, выполнить привязку к конкретному отрезку пути. В результате при использовании спектральной плотности теряется большая часть информации о состоянии поверхностей катания головки рельса, что существенно затрудняет установление причин образования любого вида износа поверхностей головки рельса. Поэтому в дальнейших исследованиях по результатам регистрации неровностей рельсовой колеи наряду со спектральным анализом применяется анализ параметров и траектории каждой неровности. Привязка результатов измерений неровностей к участкам рельсовой колеи осуществлялась по рельсовым стыкам, которые были предварительно пронумерованы. Анализ неровностей производился по следующим параметрам: длинам волн и амплитудам неровностей, формам их траекторий, сочетаниям неровностей с различной длиной волн.

При визуальной оценке состояния рельсовой колеи путейцы-контролеры используют значения амплитуд и длины волн неровностей, а также их количество на единицу длины рельса. При этом руководствуются приближенным соотношением: чем меньше амплитуда и больше длина волны, тем меньше динамическое воздействие подвижного состава на путь.

45

Ремонт и динамика подвижного состава

Поэтому для объективной и более точной оценки параметров одиночной неровности волнообразного износа в предлагаемой работе предложен показатель, который в числовой форме значительно точнее и в числовой форме характеризует одиночную неровность как динамический фактор в системе «колесо – рельс». Этот показатель получен с использованием дифференциального уравнения движения системы «колесная пара – путь», в котором геометрическая неровность поверхности катания рельса представлены синусоидой

где υ – скорость поступательного движения колеса; α – амплитуда неровности, мм;

l – длина волны неровности, м.

Дифференциальное уравнение вертикальных колебаний колесной пары и пути без учета трения имеет следующий вид [5]

где mпр - приведенная масса пути;

М – половина неподрессоренной массы колесной пары, приведённая к одному колесу;

сп - вертикальная жесткость рельса.

Полагая, что при въезде колеса в точку начало неровности вертикальная скорость dzdtп 0 и проинтегрировав дважды уравнение (2) получим

Для оценки неровностей достаточно принять во внимание максимальные величины силы взаимодействия колеса и рельса, и не учитывать текущее значение перемещения системы от времени. Поэтому тригонометрические функции приравнены единице. Подставляя в выражение (3) зависимость для ψ,

46

ТРАНСВУЗ – 2015

получим уравнение для максимальной амплитуды вертикального перемещения системы «колесо-рельс»

п

Согласно уравнению (4) амплитуда геометрической неровности стоит в числителе, а длина волны в квадратной степени – в знаменателе. На этом соотношении между параметрами неровности показатель её динамического фактора можно представить в виде следующей зависимости.

величиной. Поэтому в качестве порогового критерия для оценки допустимых значений параметров неровностей принято равенство В.Н 1. Коэффициент пропорциональности в уравнении (5) определен для значений параметров неровности, которые для допустимых скоростей движения подвижного состава по правилам эксплуатации верхнего строения пути [1] считаются предельными: амплитуда не более 1,5 мм при длине волны равной одному метру. После подстановки этих значений в соотношение (5) выражение для показателя

Если после подстановки значений параметров конкретной неровности в выражение (6) В.Н 1, то силовое динамическое воздействие колеса на рельс от данной неровности превышает допускаемое динамическое давление. ЕслиВ.Н 1, то динамическое воздействие от неровности находится в допустимых пределах. Полученное соотношение (6) дает возможность получать равновесные оценки по динамическому воздействию для всего диапазона значений параметров геометрических неровностей.

Кроме вертикальных нагрузок рельсовые нити воспринимают направляющие усилия от гребней колес. Поэтому изменения кривизны

47

Ремонт и динамика подвижного состава

траектории в плане боковой поверхности головки рельса задает уровень безопасности движения колесной пары в рельсовой колее. Согласно правилам эксплуатации [1], отвод траектории рельса от прямолинейности в горизонтальной плоскости не должен превышать одного мм на один метр продольного пути, что соответствует одной промили 10 / 00 . Это соотношение

принято в качестве показателя Г .Н фактора безопасности движения колесной пары по одиночной геометрической неровности в плане или по любому её участку волны. Если геометрическая неровность в плане имеет показатель,

«колесо-рельс», что делает возможным применение этих показателей для всех видов подвижного состава.

Предложенный коэффициент динамического фактора позволяет получить равновесную оценку динамического воздействия колеса на рельс для волнообразного износа с любыми значениями параметров.

В качестве примера на рис. 1 приведены результаты регистрации траекторий рельсовых нитей длиной, равной 25 м. При оценке неровностей правого рельса (линий 1, рис. 1) с использованием существующего критерия ( В.Н а / l ) все неровности волнообразного износа отвечают требованиям по динамическому воздействию колеса на рельс.

выполнения на них шлифовки рельсов выявлены начальные неровности, которые имеют следующие параметры: амплитуда – 0,6 мм, длина волны – 2 м. Имеются короткие групповые неровности (амплитуда - 0,3 мм, длина волны – 0,4 м), у которых динамический фактор равен В.Н 1,2 . Начальные неровности на рельсовых нитях были образованы в процессе изготовления рельсов на металлургическом заводе и по коэффициенту фактора динамики,

48

ТРАНСВУЗ – 2015

равного В.Н 1,2 , имеют неудовлетворительное качество, поскольку в процессе эксплуатации являются источником интенсивного образования волнообразного износа рельсов и расстройств верхнего строения пути.

Рис. 1. Прямой участок рельсовой колеи: новый, железобетонные шпалы, нешлифованный: 1, 3 – волнообразный износ правой и левой рельсовых нитей; 2, 4 – профиль в плане правой и левой рельсовых нитей; 5 – ширина рельсовой колеи; 6 – боковой износ правой рельсовой нити

При оценке неровностей с использованием уточнённого динамического фактора неровностей (уравнение 6) все неровности волнообразного износа правого рельса не отвечают требованиям по уровню динамического воздействия колеса на рельс. Такая же ситуация для правого рельса и по неровностям в плане – по фактору безопасности движения (кривая 6, рис. 1), который равен Г .Н 4 , что соответствует четырехкратному снижению уровня безопасности движения поездов.

Предложенная методика анализа одиночных геометрических неровностей рельсов позволила разработать уточненный коэффициент динамического фактора волнообразного износа, который позволяет получить равновесные по динамическим силам оценки параметров одиночных неровностей. Методика показала, что наряду со спектральными методами оценки профиля неровностей необходимо применять показатель динамического фактора, а горизонтальные неровности боковой поверхности головки рельса, образованные в процессе

49