Оценка износа колёс грузового тепловоза с радиальной установкой колёсных пар

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Оценка износа колёс грузового тепловоза с радиальной установкой колёсных пар

Г.С. Михальченко

Приведены результаты исследований влияния на величину работы сил трения в контакте «колесо - рельс» силы тяги, скорости движения, радиуса кривой, возвышения наружного рельса. Дана сравнительная оценка износа колёс грузового тепловоза с традиционной конструкцией тележки и с радиальной установкой колёсных пар.

Проблема износа колёс рельсового подвижного состава всегда была актуальна для специалистов ж/д транспорта. В Советском Союзе, а затем во всех странах СНГ начиная с 80-х гг. прошлого века темпы износа гребней, особенно тягового подвижного состава, и бокового износа рельсов в кривых значительно увеличились. колесо тепловоз износ

Существует два основных мероприятия по снижению износа гребней колёс: уменьшение коэффициента трения в контакте гребня с боковой поверхностью рельса (гребне- и рельсосмазывание) и уменьшение угла набегания направляющих колёсных пар на наружный рельс за счёт пассивного или активного их поворота в раме тележки (радиальная установка колёсной пары).

Последнее мероприятие широко используется в конструкции тележек мощных тепловозов переменного тока в США. Фирмами «General Motors» и «General Electric» запатентованы и построены два типа трёхосных тележек с пассивными механизмами радиальной установки колёсных пар (РУКП), которые применены на указанных тепловозах.

В России первая опытная конструкция трёхосной тележки с механизмом РУКП была разработана и испытана Всероссийским научно-исследовательским и конструкторско-технологическим институтом (ВНИКТИ) ещё в 80-х гг. прошлого века. В начале 90-х гг. тепловоз 2ТЭ10В с модернизированной конструкцией бесчелюстной тележки и механизмом РУКП конструкции ВНИКТИ проходил эксплуатационные испытания на участке Петрозаводск-Суоярви Октябрьской железной дороги. Испытания показали, что принцип пассивной радиальной установки колёсных пар позволяет существенно снизить износ гребней колёс тепловоза с трёхосными тележками.

Оригинальные конструкции трёхосных тележек на уровне патентов были разработаны на Брянском машиностроительном заводе.

В начале XXI в. во ВНИКТИ разработана конструкция унифицированной трёхосной тележки с механизмом РУКП для грузовых и маневровых тепловозов (рис. 1). Эта тележка применена на новом российском грузовом тепловозе с передачей переменного тока, построенном на Брянском машиностроительном заводе в 2006 г.

Тележка имеет двухступенчатое рессорное подвешивание: в первой ступени - индивидуальное пружинное, во второй - пружины типа «флексикоил» и четыре гидравлических гасителя вертикальных колебаний. Для гашения колебаний поперечного относа кузова на каждой тележке установлено по два гидравлических гасителя. Буксы - одноповодковые. Поводки 1, 7 крайних букс соединены с поперечными балансирами 2, 6 механизма РУКП. К концам балансиров шарнирно присоединены тяги 3, 5, которые другими концами связаны с вертикальным двуплечим рычагом 4. К удлинённому верхнему концу рычага присоединён гидравлический гаситель колебаний 8 механизма РУКП. Сила тяги от рамы тележки к кузову передаётся через низкоопущенный шкворень (по типу тепловоза ТЭП70).

В теоретических исследованиях динамики движения тепловоза 2ТЭ25К «Пересвет» с коллекторными электродвигателями, выполненных в БГТУ методом компьютерного моделирования [1], были рассмотрены два варианта тележки с механизмом РУКП: конструкции ВНИКТИ и БМЗ. Для этих экипажей были выбраны рациональные упругодиссипативные параметры тележек. Тепловоз 2ТЭ25К на новых тележках не уступает тепловозу 2ТЭ116 по динамическим качествам в прямых участках, а по показателям износа в кривых радиусами 300 и 600 м значительно его превосходит. Однако из-за очень сжатых сроков изготовления тепловоз 2ТЭ25К был построен с тележками типа 2ТЭ116. В данной статье приводятся результаты дальнейших исследований и оценка показателей износа колёс тепловоза с тележками типа ВНИКТИ в сравнении с тепловозом 2ТЭ116. При этом расширен диапазон кривых, рассмотрено влияние возвышения наружного рельса. В отличие от ранее выполненных исследований определяются и сравниваются показатели износа (работа сил трения) в точках контакта гребня и поверхности катания с рельсом при движении тепловоза в режимах тяги и выбега.

Рис. 1. Тележка конструкции ВНИКТИ с механизмом РУКП

Исследования выполнены методом компьютерного моделирования с использованием программного комплекса «Универсальный механизм» (UM) в версии UM Loco [2, 3].

Рассматривалось движение одной секции тепловозов. Длина кривых составляла 100 м с переходными участками по 30 м. Путь - неровный. Колёсные пары имели стандартный конический профиль колёс. Коэффициент трения между колесом и рельсом в обеих точках контакта принимался равным 0,3.

На первом этапе исследований изучено влияние силы тяги на работу сил трения в точках контакта колёс с рельсами при движении тепловоза в кривой радиусом 600 м (рис. 2, 3). Сила тяги практически не влияет на работу сил трения в точке контакта гребня с рельсами, а на поверхности катания с ростом силы тяги (уменьшением скорости движения) наблюдается увеличение работы сил трения из-за повышенного скольжения колёс. Особенно это заметно при скорости движения тепловоза менее 40 км/ч.

а) б)

Рис. 2. Зависимость работы сил трения от скорости при движении в кривой радиусом 600 м в режимах выбега и тяги: а - на поверхности катания; б - в точке контакта гребня;

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

- режим выбега; Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

- режим тяги

Рис. 3. Зависимость суммарной работы сил трения от скорости

при движении в кривой радиусом 600 м в режимах выбега и тяги:

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

- режим выбега; Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

- режим тяги

Для кривой радиусом 300 м были получены аналогичные результаты.

Для рассматриваемых типов экипажей, особенно с механизмом РУКП, при увеличении скорости движения в режиме тяги наблюдается рост работы сил трения в точке контакта гребня с рельсом, что, по-видимому, связано с характером действия направляющих сил. Эти силы на набегающих колёсных парах увеличиваются. Увеличение работы сил трения при наличии силы тяги ощутимо лишь на небольших скоростях (< 40 км/ч), а рабочий диапазон скоростей грузовых поездов обычно лежит выше, поэтому дальнейшие исследования проводились в режиме выбега.

Исследовалось влияние на работу сил трения в точках контакта трёх основных параметров: скорости движения (рис. 4, 5), радиуса кривой (рис. 6) и возвышения наружного рельса (рис. 7). Работа сил трения характеризует износ колёс локомотива. В обозначении ТЭ25р буква р указывает на наличие тележки с механизмом РУКП.

С ростом скорости движения работа сил трения на гребнях набегающих колёс тепловоза увеличивается, а работа на поверхности катания колёс тележки с РУКП - уменьшается (рис. 4). Из приведённых на рис. 4 графиков также видно, что работа сил трения на гребнях колёс значительно больше, чем на поверхности катания: для тепловоза ТЭ116 - в 1,5…3,2 раза, а для тепловоза ТЭ25р - в 2…3,5 раза. Использование механизма РУКП даёт существенные преимущества с точки зрения износа колёс: в кривой радиусом 600 м работа сил трения на гребне меньше в 2,8…2,14 раза, а на поверхности катания - в 3,2…2,9 раза. Аналогичные результаты получены и по суммарной работе сил трения в кривых радиусами 300, 600 и 1000 м (рис. 5). Очевидно, что скорость движения влияет на неё несущественно.

С ростом радиуса кривой (рис. 6) работа сил трения в рассматриваемых точках контакта уменьшается по экспоненциальному закону как для тепловоза 2ТЭ116, так и для тепловоза 2ТЭ25р. Следует отметить, что преимущества механизма РУКП проявляются не только в крутых кривых, но и в пологих, особенно это характерно для гребневых точек контакта.

Анализ «полигона» железных дорог показывает, что в зависимости от сочетания на определённых участках пассажирского и грузового движения возвышение наружного рельса может изменяться весьма значительно. Представляется целесообразным рассмотреть, как влияет возвышение наружного рельса в кривых на работу сил трения тепловоза с обычной тележкой и с РУКП. На рис. 7 приведены результаты исследования в кривой радиусом 600 м. Как видно, работа сил трения на гребне колёс при увеличении возвышения уменьшается, и особенно это заметно для экипажа с РУКП; на поверхности катания она увеличивается для экипажа ТЭ116, в то время как для экипажа с РУКП практически не изменяется (рис. 7а). В целом суммарная работа сил трения для экипажа тепловоза ТЭ116 незначительно увеличивается с ростом возвышения наружного рельса, а для экипажа ТЭ25р - уменьшается (рис. 7б).

Рис. 4. Зависимость работы сил трения в точках контакта колёс от скорости при движении в кривой радиусом 600 м: Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

- точка контакта на поверхности катания; Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

- 300 м; Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

- 600 м; Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 6. Зависимость работы сил трения от радиуса кривой при скорости движения 60 км/ч и возвышении наружного рельса 0,09 м: а - на поверхности катания; б - на гребне; Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

- ТЭ116; Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

- ТЭ25р

Рис. 7. Зависимость работы сил трения от возвышения наружного рельса при движении в кривой радиусом 600 м со скоростью 80 км/ч: а - на гребне и круге катания; б - суммарная работа сил трения; Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

- точка контакта на поверхности катания; Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

- точка контакта на гребне

В дальнейшем на основе приведённых результатов исследований предполагается оценивать эффективность использования тележки с РУКП с точки зрения уменьшения износа колёс локомотива и сопротивления движению, вызванного наличием сил трения на реальных участках ж/д пути, с учётом всех рассмотренных факторов.

Список литературы

1. Коссов, В.С. Применение программного комплекса «Универсальный механизм» при создании рельсового подвижного состава / В.С. Коссов, Г.С. Михальченко, Д.Ю. Погорелов, А.В. Спиров// Вестн. Восточно-Украин. нац. ун-та им. В. Даля. - 2005. - №8. - С. 45-48.

2. Погорелов, Д.Ю. Введение в моделирование динамики системы тел: учеб. пособие / Д.Ю. Погорелов. - Брянск: БГТУ, 1997. - 156 с.

3. Михальченко, Г.С. Автоматизированный программный комплекс для изучения динамики взаимодействия твердотельных моделей рельсовых экипажей и пути / Г.С. Михальченко, Д.Ю. Погорелов / Сб. науч. тр. по материалам междунар. конф., посвящён. 50-летию РГОТУПС. - М.: РГОТУПС, 2001. - С. 225-226.

Размещено на Allbest.ru