Исследование движения локомотивных тележек в плоскости рельсовой колеи при электрическом торможении в криволинейных участках пути

Внедрение в локомотивный парк страны мощных электровозов ВЛ80 позволило в 80-х годах осуществить переход на новые прогрессивные технологии поездной работы, связанные, прежде всего с увеличением длины и массы составов. В результате увеличились показатели пропускной и провозной способностей железных дорог.

Однако эксплуатация электровозов ВЛ80 на перевальных участках дорог с кривыми малого радиуса показала, что вписывание их в такие кривые с тяжеловесными составами сопряжено с увеличением тенденции к боксованию колес и к повышению интенсивности бокового износа гребней. Кроме того, электровозы ВЛ80 оборудовались системами электрического торможения: ВЛ80р — рекуперативного, ВЛ80с, т — реостатного. Использование электрического торможения для движения на спусках с постоянной скоростью в свою очередь связано с появлением юза колесных пар, который негативно влияет на величину износа гребней локомотивных колес. Наблюдения за условиями работы электровозов ВЛ80 производились на Забайкальской и Дальневосточной железных дорогах.

Анализ профиля Забайкальской железной дороги показал, что 36% общей протяженности дороги составляют кривыетретья часть кривых — кривые малого радиуса. Профиль Дальневосточной дороги, во многом идентичен Забайкальскойздесь участки Архара — Вира, Уссурийск — Владивосток, УгловаяНаходка, Комсомольск — Советская гавань имеют протяженность кривых от 45% до 54%, среди них кривые малого радиуса составляют более половины.

Проведенные в 1988;1991 годах поездки с динамометрическим вагоном на Читинском отделении ЗабЖД и на участке Смоляниново — Находка ДВЖД свидетельствуют о том, что электровозы в этот период эксплуатировались в интенсивном режиме, граничащим с недопустимым. На перевальных участках вождение тяжеловесных поездов осуществлялось по схеме: кратная тяга в голове состава и локомотив в хвосте. При движении по расчетным подъемам в отдельных случаях, скорость движения бывала ниже расчетной в два раза, токовая нагрузка тягового двигателя нередко достигала 1 ООО А. Отмечались повышенная частота возникновения боксования, срыв сцепления первых по ходу колесных пар, несмотря на интенсивную подсыпку песка под колеса локомотива. При движении на спусках, с использованием электрического торможения, наблюдался интенсивный процесс юза. В погоне за возвратом электроэнергии, рекуперативное торможение нередко производилось двумя локомотивами с головы поезда, даже при наличии легковесных вагонов в начале состава. Создание больших тормозных сил приводило к выдавливанию вагонов в составе, развалу рельсов в криволинейном участке пути.

Результатом этого стали многочисленные отказы электрического и механического оборудования. Одновременно при прохождении кривых малого радиуса фиксировалось увеличение направляющих усилий, передаваемых рельсом гребню набегающего колесачто нашло отражение в резком увеличении бокового износа головок наружных рельсов и гребней колес подвижного состава.

Исходя из принятых на сегодня межремонтных сроков эксплуатации пути и подвижного состава, удельный износ гребней бандажей не должен превышать 4.

0,4 мм на 10 км пробега локомотива, а удельный износ рельсов в кривых радиусом менее 350 м — 0,12 мм на млн. тонн пропущенного груза. Фактическая интенсивность износа гребней колес электровозов ВЛ80Р приписки депо Смо4 ляниново ДВЖД достигла к началу 90-х годов 4,2 мм на 10 км пробега, а боковой износ рельсов в кривых радиуса менее 300 м на Партизанской дистанции пути ДВЖД составил 0,32 мм на млн. тонн. Близкие к этим показатели износа рельсов и гребней колес электровозов ВЛ80 фиксировались на других участках ДВЖД и ЗабЖД. В результате на обеих дорогах в ожидании обточки или смены колесных пар по износу гребней простаивали десятки электровозовиз-за отсутствия новых рельсов в пути оставлялись рельсы с боковым износом, превышающим нормативы, что вынуждало вводить ограничения скорости.

Ухудшение состояния пути и бандажей колес локомотивов привело к значительному осложнению организации эксплуатационной работы ДВЖД и ЗабЖД, увеличению расходов на поддержание пути и локомотивного парка в исправном состоянии.

С подобными проблемами столкнулись и другие железные дороги страны, имеющие участки с кривыми малого радиуса. К решению проблемы были привлечены практически все научные коллективы системы МПС.

В 1987 году автор был включен в состав исследовательской группы ВНИ-ИЖТа, руководимой старшими научными сотрудниками Басовым Ю. А. и Пер-цовским М.Л., которая в условиях ДВЖД занималась внедрением системы автоматического управления режимом тяги и рекуперации, защиты от боксования и юза, организация работы электровозов ВЛ80р по системе многих единиц. Цель этой работы — оптимизация режимов работы электровозов ВЛ80Р с целью повышения их тяговых и тормозных свойств.

В 1989 году в ХабИИЖТе под руководством профессора В. Г. Григоренко были начаты многосторонние исследования причин повышенного бокового износа рельсов и гребней колес подвижного состава в кривых. Цель работы, выполненной в рамках программы этих исследований, состоит в установлении причинно — следственных связей между изменениями параметров поездной работы локомотивов и интенсивностью бокового износа рельсов и гребней колес электровозов ВЛ80 в кривых малого радиуса. Для достижения цели решались задачи:

• проведение анализа существующих методов кинематического и динамического вписывания локомотивов в кривые при движении в режимах тяги и электрического торможения;

• исследование процесса вписывания локомотивных тележек в криволинейные участки пути;

• установление влияния изношенности гребней колес и боковой поверхности головок рельсов на скорость проскальзывания по рельсу гребня набегающего колеса;

• исследование возможности снижения сил интенсивности износа изменением параметров движения и параметров пути;

• исследование возможности управления интенсивностью бокового износа рельсов и гребней колес за счет перераспределения тормозной нагрузки между колесными парами электровоза ВЛ80, за счет введения дополнительных межтележечных связей и за счет принудительного удерживания тележек в хордовом положении.

Для решения поставленных задач использованы методы аналитической механики описания движения сложных механических систем, численные методы решения систем нелинейных алгебраических уравнений, методы интегрирования дифференциальных уравненийпри проведении экспериментальных исследований использовались методы планирования эксперимента.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Создана уточненная математическая модель, описывающая процесс вписывания электровоза ВЛ80 в криволинейные участки пути малого радиуса при движении в режиме электрического торможения, позволяющая исследовать поведение локомотивных тележек при движении по таким кривым, установить причинно-следственные связи между параметрами поездной работы локомотивов, параметрами пути и интенсивностью бокового износа рельсов и гребней колес. В математической модели впервые учтено:

• влияние системы люлечного подвешивания на разворот тележек в рельсовой колее;

• влияние подсыпки песка под колеса для предупреждения юза, установки межтележечных поперечных связей, а также влияние устройств удерживающих тележки в хордовом положении, на величину силы нормального давления гребня колеса на рельс;

• влияние закона изменения угла разворота тележек в рельсовой колее на скорость упругого проскальзывания по рельсу поверхностей катания колес;

• влияние изношенности контактирующих поверхностей гребня и рельса на скорость проскальзывания по рельсу гребня набегающего колеса;

2. Обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований позволило сделать следующие выводы:

• тележки электровоза ВЛ80 при входе в кривую малого радиуса на первых метрах пути устанавливаются в перекосное положение и сохраняют его до выхода из кривой (при больших силах торможения тележка устанавливается в положение максимального перекоса);

• определяющее влияние на процесс перекашивания тележек оказывают касательные силы на поверхностях катания колес;

• перекашивание тележек приводит к появлению дополнительных поперечных составляющих касательных сил на поверхностях катания колес, которые увеличивают силу нормального давления на рельс гребня набегающего колеса и, соответственно, увеличивают боковой износ рельсов и гребней колес;

• изменением параметров движения и параметров пути невозможно добиться существенного снижения сил бокового давления гребней набегающих колес на рельс;

• подсыпка песка под колеса для предупреждения юза приводит к возрастанию поперечных составляющих касательных сил на поверхностях катания колес и, как следствие, к увеличению силы нормального давления гребня колеса на рельс, к росту интенсивности бокового износа рельсов и гребней колес;

• изношенное колесо с углом наклона прямой вставки гребня к оси колесной пары более 75° при набегании на неизношенный рельс имеет в 1,5 -2 раза большую скорость проскальзывания гребня по сравнению с неизношенным колесом при тех же условиях контактирования;

• устройство, удерживающее тележку в хордовом положении за счет пары сил, позволяет при определенном значении момента пары полностью исключить перекос тележки и обеспечить близкие к нулю значения силы нормального давления на рельс гребня набегающего колеса.

Практическая ценность работы:

1. На основании проведенных исследований сделан вывод, что некоторого уменьшения интенсивности износа гребней колес электровоза ВЛ80 и бокового износа рельсов в кривых малого радиуса можно добиться за счет исключения из эксплуатации локомотивов, у которых угол наклона прямой вставки гребня к оси колесной пары превышает 75° (при норме 70°).

2. Для радикального решения проблемы бокового износа рельсов и гребней колес электровозов ВЛ80 необходимо предусматривать установку устройства, обеспечивающего принудительное удерживание локомотивных тележек в хордовом положении за счет пары сил. Расчеты показывают, что величина момента пары, который должен создаваться таким устройством, в среднем составляет 250 кНм.

Основные положения диссертации докладывались на четырех научно-технических конференциях кафедр ДВГАПС (г. Хабаровск, 1991, 1997, 1997, 1998 гг.), на Дальневосточной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (г. Владивосток, 1995 г.), на VI Международной научно-технической конференции «Проблемы развития локомотивостроения» (г. Москва, 1996 г.), решение VI международной конференции представлено в ПРИЛОЖЕНИИ 1, на II международной конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока (г. Владивосток, 1997 г.), на отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в ее решении» (г. Ростов-на-Дону, 1998 г.), на I международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (г. Хабаровск, 1999 г.).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

Комплекс исследований, выполненный в соответствии с поставленной целью и задачами позволил оценить влияние различных поездных факторов на процесс вписывания локомотивных тележек в криволинейные участки пути. В свою очередь это позволило объяснить ряд противоречий связанных с интенсивностью бокового износа гребней локомотивных колес в кривых малого радиуса и дать практические рекомендации по путям ее уменьшения.

1. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что тележки электровоза ВЛ80 при входе в кривую малого радиуса на первых метрах пути устанавливаются в перекосное положение и сохраняют его до выхода из кривой. Величина перекоса зависит от параметров пути и движения и может достигать величины, когда тележка занимает положение максимального перекоса. Наиболее существенное влияние на процесс разворота тележек оказывают касательные силы на поверхностях катания колес.

2. Для исследования причин повышенного износа гребней колес в кривых малого радиуса введен критерий бокового износа, который равен произведению силы нормального давления гребня колеса на скорость проскальзывания гребня по рельсу.

3. Разработана уточненная математическая модель динамики вписывания электровоза ВЛ80 в кривые малого радиуса при движении в режиме электрического торможения, позволяющая установить причинно-следственные связи между изменениями параметров поездной работы локомотивов и изменением динамического критерия бокового износа рельсов и гребней колес. Математическая модель представляет собой совокупность формул, выражающих зависимость силы нормального давления гребня колеса и скорости проскальзывания гребня по рельсу от скорости составаот величины тормозной силы колесной парыот величины перекоса кузова секции электровоза в следствии действия сжимающих сил относительно хордового положенияот радиуса кривой, ширины рельсовой колеи, продольного и поперечного наклона путиот параметров упругого проскальзывания по рельсу поверхностей катания колесных парот степени износа боковых поверхностей головки рельса и гребня колесаот подсыпки песка под колесаот геометрических, массовых и динамических параметров электровоза ВЛ80- от величины силы в поперечной межтележечной связиот величины момента сил в механизме принудительного удерживания тележек электровоза в хордовом положении.

4. Определено, что сила нормального давления гребня колеса на рельс существенно увеличивается с ростом угла перекоса тележек. Доминирующим фактором, определяющим величину силы нормального давления гребня колеса на рельс, являются дополнительные составляющие касательных сил на поверхностях катания колес, возникающие в процессе перекашивания тележек.

5. Установлено, что подсыпка песка под колеса локомотива для предупреждения юза вызывает увеличение в 1,5 — 2,5 раза силы нормального давления гребня колеса на рельс за счет возрастания поперечных составляющих касательных сил на поверхностях катания колес.

6. Установлено, что режим электрического торможения является более неблагоприятным по отношению к тяговому. При прочих равных условиях величина сил бокового давления гребня колеса на рельс при движении в режиме электрического торможения превышает на 10−17% аналогичные силы при движении в режиме тяги.

6. Установлено, что при движении колеса с изношенным гребнем, когда угол наклона его прямой вставки к оси колесной пары превышает 75°, скорость проскальзывания гребня колеса по рельсу увеличивается в 1,5 — 2 раза по сравнению со скоростью проскальзывания гребня неизношенного колеса. Изменения величины других параметров контактирующих поверхностей колес и рельсов за счет износа, а также прекос тележки не приводят к существенному изменению скорости проскальзывания гребня колеса по рельсу.

7. В обычных условиях эксплуатации локомотивов уменьшения интенсивности бокового износа гребней колес можно добиться за счет исключения из эксплуатации локомотивов, у которых угол наклона прямой вставки гребня к оси колесной пары превышает 75° (при норме 70°). Однако, это мероприятие не приведет к радикальному решению проблемы бокового износа, так как оно полностью не устраняют тенденцию к развороту тележек, давление гребня набегающего колеса на рельс и скорость проскальзывания гребня по боковой поверхности рельса останутся значительными.

8. Для уменьшения интенсивности бокового износа гребней колес электровозов ВЛ80 до нормальных пределов, нужно добиться уменьшения до нуля постоянной составляющей момента сил, вызывающих разворот тележки в рельсовой колее. Это можно осуществить за счет управления величиной силы в поперечной межтележечной связи или за счет управления величиной момента сил в механизме принудительного разворота тележек относительно кузова секции локомотива.

9. Численный анализ, выполненный с использованием разработанной математической модели позволил, рекомендовать для практического применения уменьшение силы бокового давления гребня набегающего колеса на рельс за счет управления величиной момента сил в механизме принудительного разворота тележек относительно кузова секции локомотива. При определенных условиях можно полностью исключить перекос тележек локомотива и обеспечить близкие к нулю значения силы нормального давления гребня набегающего колеса на рельс и, соответственно, динамического критерия бокового износа.