Наукові основи вибору конструкторсько–технологічних параметрів пристроїв для зменшення зносу бандажів коліс локомотивів

1. Аналіз стану проблеми показав, що наукові дослідження в галузі покращення конструкції та технології виготовлення локомотивів, а також їх взаємодії з залізничною колією спрямовані, в основному, на поліпшення динаміки локомотивів та зменшення фрикційного зносу бандажів коліс - як наслідку силової взаємодії їх з рейками. Проте, за межами досліджень знаходиться аналіз діючого в єдності комплексу факторів конструкторсько-технологічного плану, що визначають повний набір складових вектора динамічної взаємодії бандажів коліс з рейками. Це, насамперед, конструкція і технологія виготовлення таких обумовлених при проектуванні ланок екіпажа локомотива, як системи тягових приводів, зв'язки рам візків з кузовом і колісними парами, а також пристрої для радіальної установки колісних пар. Доведено, що інтенсивність зносу коліс корелює зі згаданими факторами. Це і визначило проведення досліджень, спрямованих на виявлення й упорядкування основних конструкторсько-технологічних факторів, а також оцінку ступеня впливу кожного з них як окремо, так і в сукупності на показники локомотивів.

2. У результаті виконання роботи створено наукові основи вибору конструкторсько-технологічних параметрів і факторів, що визначають прогнозоване зниження зносу бандажів коліс, суть яких полягає в зображенні силової взаємодії пари “колесо-рейка” у вигляді функції вектора параметрів елементів і пристроїв екіпажів локомотивів, що істотно впливають на їхню динаміку.

3. Для оцінки зносу бандажів коліс запропонований новий критерій “прогноз - знос”, отримано його аналітичний вираз, у який введено: навантаження на контакті і кут набігання гребеня на рейку, для якого отримано уточнену аналітичну залежність. На відміну від відомих критеріїв враховано також відносну величину площадки плями контакту і “шлях тертя” точок на бандажі щодо рейки. Критерій дозволяє прогнозувати величину зносу бандажів коліс як на стадії проектування, так і в процесі експлуатації локомотивів і дає можливість оцінювати знос бандажів коліс при русі по шляху будь-якої конфігурації, у тому числі і по прямих, а також при устаткуванні їх пристроями для радіальної установки колісних пар у кривих.

4. Створено математичні моделі, що адекватно відбивають зв'язок виробленого критерію з конструкторсько-технологічними параметрами таких вузлів локомотивів як пристрої тягових приводів, пристрої зв'язків рами візка з колісними парами і з кузовом, пристрої для радіальної установки колісних пар у кривих. Розроблено програмно-алгоритмічний комплекс для знаходження шляхом цифрового моделювання закономірностей впливу конструкторсько-технологічних параметрів досліджуваних пристроїв і різних факторів на інтенсивність зносу бандажів коліс.

5. Дослідження показали, що фактори, які впливають на процес зносу бандажів, можуть бути розділені на дві групи - основну і визначальну. До основної відносяться навантаження на контактах бандажів з рейками, коефіцієнти тертя, кути набігання гребенів на рейки, швидкості ковзань точок на бандажах щодо рейок і зносостійкість матеріалу бандажів. Виявлено також, що до цих факторів необхідно додати ще два, зв'язані з геометрією плям контактів бандажів з рейками: їхніми площами і “шляхами тертя” точок на бандажах щодо рейок. Перший з них функціонально зв'язує зосереджену силу на контакті з тиском на ньому, а другий визначає тривалість процесу зношування бандажа. Основні фактори, у свою чергу, залежать від визначальних. Вони зв'язані:

- зі структурою і технічним станом рейкової колії (наявність кривих ділянок колії, застосування залізобетонних шпал, ширина колії, наявність нерівностей на рейках та ін.),

- з конструкцією локомотивів (пристрої приводів коліс, зв'язки рам візків з кузовом і колісними парами, ресорне підвішування, пристрої для радіальної установки колісних пар, діаметр коліс, початкові перекоси вісей у рамах візків, величина конічності профілів бандажів та ін.),

- з режимами експлуатації локомотивів (величини непогашених прискорень у кривих ділянках колії, інтенсивність режимів тяги - гальмування, швидкості руху та ін.).

6. Показано, що з визначальних факторів технологічного плану найбільший вплив на знос гребенів коліс мають початкові кути перекосу вісей колісних пар. Це виявляється більшою мірою при русі по прямих ділянках колії, коли гребінь колеса, у бік якого перекошена вісь, виявляється постійно притиснутим до бічної грані рейки із силою, близької до величини напрямної сили в положистих кривих. Конічність профілів бандажів 1/20 або більша дозволяє компенсувати негативний вплив початкових кутів перекосів вісей, якщо ці кути не перевищують 0,001 рад. У зв'язку з цим рекомендується обмежити припустимі кути перекосів цією величиною.

7. Справедливість отриманих результатів обумовлена тим, що моделі, які описують у вигляді систем диференціальних рівнянь динаміку локомотивів, складалися на базі фундаментальних положень теоретичної механіки, їхнє вирішення здійснювалося апробованими методами чисельного інтегрування, а для вибору раціональних параметрів пристроїв застосовувалися методи планування експерименту. Вірогідність отриманих наукових результатів підтверджується коректністю прийнятих припущень, збігом підсумків розв'язання тестових задач з результатами, отриманими в експерименті іншими авторами, а також збігом із припустимою похибкою власних експериментальних і розрахункових даних.

8. Шляхом фізичного моделювання визначено форму, розташування і характер зміни площадки контакту гребеня з бічною гранню рейки і “шляху тертя” точок на гребені по рейці залежно від кута набігання гребеня на рейку.

9. Встановлено, що при великих кутах набігання гребеня на рейку одноточковий контакт трансформується в двоточковий. При збільшенні кута набігання понад 0,002 рад площадка контакту гребеня з рейкою зменшується в 3 - 5 разів, що відповідно збільшує середній тиск на контакті і знос пари тертя.

10. Серед визначальних факторів виділено пристрої для радіальної установки колісних пар у кривих. Вони поліпшують умови контактування гребенів з рейками, зменшуючи напрямну силу і збільшуючи площадку контакту гребеня з рейкою і, таким чином, знижуючи середній тиск на ній, а значить і знос більш ніж у 2 рази. Устаткування локомотивів збалансованим ресорним підвішуванням з великим статичним прогином, наприклад, на базі пневматичних ресор створює більш рівномірний розподіл сил від коліс локомотива на рейки, що зменшує швидкості ковзання на контактах унаслідок зменшення буксування коліс і знижує прокат більш ніж у 1,5 рази.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Пневматическое рессорное подвешивание тепловозов / Куценко С.М., Елбаев Э.П., Кирпичников В.Г., Маслиев В.Г., Рубан А.Н.- Харьков: Вища школа, 1978.- 97 с.

2. Маслиев В.Г. К проблеме увеличения ресурса бандажей колес локомотивов // Залізничний транспорт України.- Киів: “Транспорт України”, 2001. - №6. - С. 12-14.

3. Маслиев В.Г. Математическая модель динамики локомотива с устройством для радиальной самоустановки колесных пар в кривых // Вісник НТУ “ХПІ”, 2001.- №. 14.- С.180-187.

4. Маслиев В.Г. Исследование динамических процессов при движении железнодорожных экипажей // Вісник СУДУ.- Луганськ: СУДУ, 1996.- Сер. Машиностроение.- С. 176 - 178.

5. Маслиев В.Г. Моделирование динамики локомотивов с устройствами, увеличивающими ресурс бандажей колес // Вісник СНУ.- Луганськ: СНУ, 2001. - №7(41). - С.85-88.

6. Маслиев В.Г. Математическое моделирование динамических процессов в системе "экипаж - рельсовый путь" // Міжвуз. зб. наук. Праць.- Харків: ХарДАЗТ, 1998. - Вип.34. - С. 23-26.

7. Маслиев В.Г. Влияние характеристик связей букс с рамой тележки на динамику локомотива // Механіка та машинобудування.- Харків: ХДПУ, 1998.- №1.- С. 91-94.

8. Маслиев В.Г. Особенности динамики рельсовых экипажей с устройствами для радиальной установки колесных пар в кривых // Механіка та машинобудування.- Харків: ХДПУ, 1999.- №1.- С.161-165.

9. Маслиев В.Г., Калинина С.А., Якунин Д.И. Базовая математическая модель горизонтальной динамики локомотива // Вісник ХДПУ.- Харків: ХДПУ, 2000.- № 118.- С.17 - 20.

10. Маслиев В.Г., Калинина С.А., Якунин Д.И. К вопросу о влиянии отклонений характеристик тележки от номинальных на эксплуатационные показатели локомотивов // Вісник ХДПУ.- Харків: ХДПУ, 2000.- № 124.- С.23 - 26.

11. Маслиев В.Г. Компьютерное моделирование динамики локомотива с устройством для принудительной радиальной установки колесных пар в кривих // Механіка та машинобудування.- Харків: НТУ“ХПІ”, 2001.- №1,2.- С.330-332.

12. Маслиев В.Г. О влиянии характеристик связей тележки с кузовом на динамические и эксплуатационные показатели тепловоза // Вісник НТУ“ХПІ”.- Харків: НТУ“ХПІ”, 2001.- № 25.- С. 116 - 118.

13. Маслиев В.Г. Компьютерное моделирование износа пары колесо - рельс // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте.- Харків: ХарДАЗТ, 2001.- №6.- С. 63-64.

14. Писарев В.П., Маслиев В.Г., Куценко С.М. Некоторые результаты теоретического и экспериментального исследования поперечных колебаний в системе "колесо - тяговый электродвигатель" тепловоза // Вестник ВНИИЖТ.- М.: 1972.- №8.- С. 34-37.

15. Маслиев В.Г., Лобачев Н.А. Параметры воздушного тракта пневматического рессорного подвешивания тепловозов // Конструирование и производство транспортных машин.- Респ. межвед. науч.- техн. сборник.- Харьков: “Вища школа”, 1982.- Вып. 14.- С.25-27.

16. Маслиев В.Г., Спирягин И.К., Лавриненко Г.А.. Вопросы моделирования износа гребней колес тепловозов // Системы и узлы перспективных тепловозов. Сб. науч. тр. / Под общ. ред. Ю. А. Куликова.- Київ: УМК ВО, 1990.- С. 22-26.

17. Дмитриев Е.Н., Стребков Н.Д., Куценко С.М., Маслиев В.Г., Жогов В.Г., Короткевич О.П. Пневматическое рессорное подвешивание тепловоза ТГМ 3Б // Транспортное машиностроение. - М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1972.- 5-72-14.- С.1-5.

18. Дмитриев Е.Н., Куценко С.М., Маслиев В.Г., Жогов В.Г., Короткевич О.П., Стребков Н.Д., Алексеев А.А. Результаты динамических испытаний тепловоза ТГМ3Б с пневматическим рессорным подвешиванием // Транспортное машиностроение. - М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1973.- 5-73-7.- С.1-5.

19. Куценко С.М., Алексеев А.А., Дмитриев Е.Н., Маслиев В.Г., Евстратов А.С., Шевченко П.М. Эксплуатационные испытания тепловоза с пневматическим рессорным подвешиванием // Транспортное машиностроение. - М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1976.- 5-76-11.- С.1-3.

20. Куценко С.М., Маслив В.Г ., Алексеев А.А., Дмитриев Е.Н., Евстратов А.С. Совместная работа резинокордной оболочки и винтовой пружины в рессорном подвешивании локомотива // Транспортное машиностроение.- М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ,1977.-№5-77-10.-С.1-3.

21. Куценко С.М., Лобачев Н.А., Маслиев В.Г. Динамика опытного тепловоза 2ТЭ116 на тележках с пневматическим рессорным подвешиванием в буксовой ступени // Транспортное машиностроение. - М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1976.- 5-79-15.- С.1-3.

22. Шевченко П.М., Маслиев В.Г., Евстратов А.С., Алексеев А.А. Пневматическое рессорное подвешивание тепловоза 2ТЭ116 // Транспортное машиностроение. - М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1981.- 5-81-17.- С.15-17.

23. Пневмоподвешивание железнодорожного транспортного средства: А.С. СССР, 1054155, МКИ B 61 C 15/04; B 61 F 5/10. / В.Г.Маслиев, А.И.Гибалов, С.М.Куценко, А.Т.Литвинов, Е.П.Акишин, Ю.П.Рыжков.- № 3465092/27-11.- 3с. ил.; Заявлено 08.07.82; Опубл.15.11.83, Бюл. № 42.

24. Роликовая опора кузова локомотива: А.С. 1071495 СССР, МКИ B 61 F 5/02; B 61 F 5/16. / В.Г.Маслиев, Э.П.Елбаев, Ю.П.Рыжков, А.В.Клименко.- № 3434001/27-11.- 2с. ил.; Заявлено 23.02.82; Опубл.07.02.84, Бюл. № 5.

25. Пат. 23416А України, МКИ B61F 5/26 та B61F 5/38. Візок рейкового транспортного засобу / Маслієв В.Г., Міщенко К.П., Мєщєрін Ю.В., Догадин В.О., Шевченко І.П., Спірягін І.К. (Україна); ХК Луганськтепловоз.-№ 96072734; Заявл.09.07.1996; Опубл. 2.06.1998.- 3 с.

26. Маслиев В.Г. Определение собственных частот колебаний тяговых электродвигателей локомотивов // Вестник ХПИ.- Харьков: ХГУ, 1972.- №65.- С. 28-31.

27. Маслиев В.Г. К вопросу о выборе допустимой несоосности колесной пары и полого вала колесно-моторного блока тепловоза / Республ. межвед. научн.-техн. сб. “Локомотивостроение”.- Харьков: ХГУ, 1972.-№4.-С.26-28.

28. Куценко С.М., Маслиев В.Г., Коняев А.Н., Карпов И.П., Писарев В.П., Безмащук В.Н. Исследование по динамике тяговых редукторов / Респ. межвед. научн.-техн. сб. “Локомотивостроение”.- Харьков: ХГУ, 1971.- Вып. 3.- С. 80-84.

29. Маслиев В.Г., Ананьев А.Д. Метод расчета усилий, действующих в элементах упругого опорно-центрового привода колес локомотива // Вестник ХПИ, Вып. 3.- Харьков: ХГУ, 1977.- № 134.- С. 48-52.

30. Блейхер А.И., Куценко С.М., Маслиев В.Г., Елбаев Э.П., Спирягин И.К., Возняк Н.К., Кеван Р.Т. Математическая модель движения в кривых десятиосного экипажа с бисселями / ХПИ.- Харьков, 1987.- 32 с.- Рус.- Деп. в ЦНИИТИтяжмаш.- М.: 23.01.87. - №1843-тм // Анот. в библ. указат. ВИНИТИ “Деп. научн. работы”.- М.: №5 (187), 1987.- С.143.

31. Игнатенко В.П., Маслиев В.Г., Спирягин И.К., Литвинов А.Т., Лавриненко Г.А., Батыр В.В. Исследование устойчивости движения экипажа с бегунковой тележкой / ХПИ.- Харьков, 1988.- 30 с.- Рус.- Деп. в ЦНИИТЭИТЯЖМАШ. М.: 24.10.1988, №253 - ТМ88 // Анот. в библ. указателе ВИНИТИ "Депонир. научн. работы" №3 (209), 1989.- С.132.

32. Маслиев В.Г. Влияние касательных сил тяги на динамику локомотива в кривых // Труды междунар. технич. конфер. "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье". - Харьков, Мишкольц: ХПИ, МУ.- 1997.- С.341-343.

33. Маслиев В.Г. Влияние неточности установки колесных пар железнодорожных экипажей в рамах тележек на износ гребней колес // Труды междунар. технич. конфер. "Компьютер: наука, техника, технология, образование, здоровье".- Харьков, Мишкольц: ХПИ, МУ.- 1994.- С.100.

34. Маслиев В.Г. Применение ЭВМ для исследования износа колес локомотива // Труды междунар. науч.-техн. конференции “Компьютер: наука, техника, технология, здоровье”.- Харьков - Мишкольц.- 1993.- С212.

35. Маслиев В.Г. Моделирование динамики локомотивов при исследовании износа гребней колес // Труды VIII междунар. конфер. "Проблемы развития рельсового транспорта". - Алушта, Луганск: ВУГУ.- 1998.- С. 27.

АНОТАЦІЇ

Маслиев В.Г. Наукові основи вибору конструкторсько-технологічних параметрів пристроїв для зменшення зносу бандажів коліс локомотивів. - Рукопис.

Дисертація на одержання наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.22.07 - “Рухомий склад залізниць та тяга поїздів”, Українська державна академія залізничного транспорту, Харків, 2002.

Дисертаційна робота присвячена питанням вибору конструкторсько-технологічних параметрів пристроїв для зменшення зносу бандажів коліс локомотивів. Досліджена динаміка локомотивів з такими пристроями, запропоновано критерій для оцінки зносу і його аналітичний вираз із урахуванням зміни площі контакту гребеня з рейкою і “шляху тертя” точок на бандажі відносно рейки. Критерій дозволяє прогнозувати знос бандажів на стадії проектування й у процесі експлуатації локомотивів. Встановлено і ранжовано чинники, що впливають на знос бандажів. Доведено, що пристрої для радіальної установки колісних пар у кривих ефективно знижують знос гребенів, а ресорне підвішування на базі пневматичних ресор знижує прокат бандажів коліс локомотива. Основні результати роботи знайшли промислове впровадження при проектуванні нових локомотивів і дизель-поїзда.

Ключові слова: рейкова колія, локомотив, знос, бандаж, гребінь, прокат, критерій зносу, радіальна установка, колісна пара, крива, ресора.

Masliev V.G. Scientific fundamentals of a choice of design-engineering parameters of devices for locomotive sprockets bindings wear reduction. - Manuscript.

Thesis on awarding a scientific degree of the Doctorate of Sc. (Engineering) on a speciality 05.22.07 - "The rolling-stock of iron roads and traction of trains", Ukraine state Academy of a railway transportation, Kharkov, 2002.

Thesis is devoted to the problems of the choice of design-engineering parameters of devices for reduction of a locomotive of sprockets wear. The dynamics of locomotives with such devices is investigated. The criterion and its analytical expression is offered in view to the change of a contact area of a crest with a rail and “paths of friction” of points on a crest in relation to a rail. The criterion allows to forecast a wear of bindings at a stage of projection and while in performance of locomotives. Factors are established and arranged influencing the wear of bindings. It is shown, what effectively reduces a wear of crests of the device for radial installation of wheel pairs in curves and spring suspension on the basis of pneumatic springs reduces roll stock of bindings of sprockets of the locomotive. The basic results of research have found industrial application at designing of new locomotives and diesel - train.

Key words: a rail path, locomotive, wear, binding, roll stock, crest, criterion of a wear, radial installation, wheel pair, a curve, spring.

Маслиев В.Г. Научные основы выбора конструкторско-технологических параметров устройств для уменьшения износа бандажей колес локомотивов. - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени доктора технических наук по специальности 05.22.07 - "Подвижный состав железных дорог и тяга поездов", Украинская государственная академия железнодорожного транспорта, Харьков, 2002.

Диссертационная работа посвящена вопросам выбора конструкторско-технологических параметров устройств для уменьшения износа бандажей колес локомотивов. Научные исследования в области увеличения износостойкости бандажей колес локомотивов направлены, в основном, на снижение фрикционного износа как следствия силового взаимодействия колеса и рельса. Здесь исследован комплекс причин конструкторско-технологического плана, определяющий полный набор составляющих вектора силового взаимодействия колеса с рельсом.

Созданы научные основы выбора конструктивных параметров и технологических факторов, определяющих прогнозируемое снижение износа бандажей колес, суть которых состоит в представлении силового взаимодействия пары “колесо-рельс” в виде функции вектора параметров элементов и устройств экипажей локомотивов, существенно влияющих на их динамику, таких как тяговые приводы, узлы связи рам тележек с кузовом и колесными парами, а также устройства для радиальной установки колесных пар в кривых.

В качестве показателя для оценки интенсивности износа бандажей колес локомотивов предложен критерий “прогноз - износ” и получена его аналитическая зависимость, в которой учтены изменения площадки контакта гребня с рельсом и “путь трения” точек на гребне по рельсу.

Созданы математические модели, адекватно отражающие влияние на процесс износа бандажей колес конструктивных параметров и технологических факторов упомянутых узлов локомотивов, а также программно-алгоритмический комплекс для компьютерного моделирования. В моделях детально представлены физические явления в контактах бандажей с рельсами, а также силы тяги и сопротивления.

Установлены и разделены на две группы факторы, влияющие на износ бандажей колес. Основная группа - это нагрузки на контактах, площади пятен контактов, коэффициенты трения, углы набегания гребней, “пути трения”, скорости точек на колесах относительно рельсов, а также износостойкость бандажной стали.

Основные факторы зависят от определяющих, среди которых отметим следующие: кривизна рельсового пути, неровности на рельсах, ширина колеи, диаметр колес, начальные перекосы колесных пар относительно рам тележек, величина коничности бандажей, устройства для радиальной установки колесных пар в кривых, статический прогиб рессорного подвешивания, жесткость связей тележки с кузовом и колесными парами, тип привода колес, определяющий величину необрессоренной массы, скорость движения, непогашенное ускорение при движении по кривым, режимы движения и др.

Установлено, что влияние на износ бандажей колес параметров, относящихся к основной группе, можно существенно уменьшить посредством применения на локомотивах устройств для радиальной установки колесных пар в кривых в совокупности с лубрикацией контактов гребня с рельсом и при соблюдении заданных допусков на величины перекосов колесных пар в рамах тележек в плане, а также применением сбалансированного пневматического рессорного подвешивания с большим статическим прогибом.

Полученные результаты исследований имеют практическое значение, заключающееся в универсальности разработанного программно-алгоритмического комплекса, позволяющего на стадии проектирования оценивать устройства и разрабатывать мероприятия по снижению износа бандажей колес для всех видов магистральных, маневровых и промышленных локомотивов.

Полученные в работе результаты и выводы реализованы в процессе проектирования тепловозов и дизель-поезда: 2ТЭ116, ТГМ 3Б, 2ТЭ121, 2ТЭ126, 2ТЭ136, ДПЛ1. Здесь использовались: пневматическое рессорное подвешивание локомотива, увеличивающее ресурс бандажей по прокату; устройства для соединения кузова со сцепной и бегунковой тележками, повышающие ресурс бандажей по износу гребней колес; упругая подвеска тяговых электродвигателей, понижающая износ гребней и прокат колес; устройство для радиальной установки колесных пар в кривых участках пути, обеспечивающее уменьшение износа гребней бандажей колес.

Результаты работы используются также в учебном процессе в новых разделах лекционных курсов по динамике рельсового подвижного состава и в научно-исследовательской работе кафедре “Электрический транспорт и тепловозостроение” НТУ “ХПИ”.

Ключевые слова: рельсовый путь, локомотив, износ, бандаж, гребень, прокат, критерий износа, радиальная установка, колесная пара, кривая, рессора.

Размещено на Allbest.ru