Запобігання сходу з рейок спеціального рухомого складу шляхом створення комплексної системи протидії

Размещено на http://www.allbest.ru/

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ЗАПОБІГАННЯ СХОДУ З РЕЙОК СПЕЦІАЛЬНОГО РУХОМОГО СКЛАДУ ШЛЯХОМ СТВОРЕННЯ

КОМПЛЕКСНОЇ СИСТЕМИ ПРОТИДІЇ

Спеціальність 05.22.07 - Рухомий склад залізниць та тяга поїздів

Дегтярьова Лариса Миколаївна

Луганськ-2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Мямлін Сергій Віталійович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В.Лазаряна Міністерства транспорту та зв'язку України, проректор з наукової роботи

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, старший науковий співробітник Радченко Микола Олексійович, Інститут транспортних систем та технологій Національної Академії наук України «Трансмаг», провідний науковий співробітник

кандидат технічних наук Попов Сергій Валерійович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри залізничного транспорту

Захист відбудеться «23» грудня 2010 р. о 10-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 29.051.03 Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, квартал Молодіжний, 20а, СНУ ім. В. Даля, зал засідань

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, квартал Молодіжний, 20а, СНУ ім. В. Даля

Автореферат розісланий 22 листопада 2010 р.

В.о. вченого секретаря спеціалізованої вченої ради Носко П.Л.

АНОТАЦІЯ

Дегтярьова Л.М. “Запобігання сходу з рейок спеціального рухомого складу шляхом створення комплексної системи протидії” - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.07 - Рухомий склад залізниць та тяга поїздів. - Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2010 р.

Раціональний підбір параметрів колісних профілів визнано одним з найефективніших засобів поліпшення взаємодії рухомого складу та колії.

Дисертація спрямована на вирішення актуальних питань протидії сходу коліс спеціального рухомого складу з рейок за рахунок удосконалення конструкції профілів колісних пар і створення комплексної системи протидії сходу. У роботі запропоновані вдосконалені математичні моделі просторових коливань спеціалізованих вантажних вагонів, розглянуто контакт обох коліс колісної пари з рейкою, за умови одноточкового гребеневого контакту на одному колесі і двоточкового на іншому.

Запропонована система протидії сходу з рейок коліс спеціального рухомого складу, що містить такі елементи: колісна пара з контргребенем, датчики, які контролюють положення коліс відносно рейкової колії і блок управління, який має безпосередній зв'язок з гальмівною системою і з системою оповіщення, що знаходиться в кабіні машиніста.

Ключові слова: колісна пара, додатковий гребінь, резервний профіль колеса, рухомий склад спеціального призначення, контактна взаємодія, система протидії сходу.

АННОТАЦИЯ

Дегтярева Л.Н. “Предотвращение схода с рельсов специального подвижного состава путем создания комплексной системы противодействия” - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов. - Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2010 г.

Рост грузооборота и скорости движения на сети железных дорог вызывает значительную нагруженность колес и рельсов, увеличивает количество их повреждений, что влечет за собой рост вероятности сходов вагонов с рельсов. Именно очертания профиля колеса и рельса существенно влияют на показатели контактного взаимодействия, динамические показатели движения железнодорожного экипажа в целом. Поэтому рациональный подбор параметров колесных профилей признается одним из самых эффективных средств улучшения взаимодействия подвижного состава и колеи.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-прикладной задачи по обеспечению противодействия сходу колес специального подвижного состава с рельсов за счет совершенствования конструкции профилей колесных пар и создания комплексной системы противодействия сходу.

На основании патентных исследований существующих конструкций устройств автоматического торможения и устройств для определения схода подвижного состава с рельсов сделан вывод о том, что эти устройства выполняют функцию сигнализации о сходе колеса с рельсов, а не предотвращают возникновение аварийной ситуации.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие задачи: выполнено математическое моделирование процесса определения геометрических параметров колесных пар, оборудованных устройствами противодействия сходу; усовершенствован метод расчета динамических характеристик колесных пар, снабженных видоизмененным профилем; выполнено имитационное моделирование для проверки эффективности колес с дополнительными гребнями и резервным профилем качения; разработаны технические решения по предотвращению сходу колесных пар с рельсов и даны рекомендации по внедрению предложенных технических решений.

Для изучения механизма взаимодействия подвижного состава и пути с учетом устройств, противодействующих сходу, в работе предложены усовершенствованные математические модели пространственных колебаний специализированных грузовых вагонов.

В данной работе рассмотрен контакт обоих колес колесной пары с рельсами при условии одноточечного гребневого контакта на одном колесе и двухточечного на другом. Наличие дополнительного контргребня со стороны конической части на колесе приводит к появлению дополнительной точки контакта колесного пара с рельсом. Дополнительная точка контакта колесной пары с рельсом моделируется как упругий контакт с использованием упругого элемента, данный контакт является промежуточным и имеет место в течение короткого промежутка времени. Силовая характеристика дополнительного упругого элемента имеет вид линейной характеристики с зазором. При рассмотрении двухточечного контакта колеса с рельсом учитывается действие напряжения между боковой поверхностью головки рельса и гребня или контргребня колесной пары. В расчетной схеме это напряжение моделируется упругим сопротивлением пружины (), которое воспроизводит жесткость при контакте колеса и рельса.

Анализ процесса схода колес подвижного состава с рельсов свидетельствует, что наиболее эффективное противодействие сходу колес специального подвижного состава можно обеспечить за счет средств, содержащих элементы, которые обеспечивают удержание колес в рельсовой колее и элементы, которые позволяют предоставить информацию локомотивной бригаде об угрозе схода, а также в автоматическом режиме выполнить соответствующие действия по экстренной остановке подвижного состава. Предложенная система противодействия сходу с рельсов колес специального подвижного состава содержит такие элементы: колесная пара с резервным профилем катания, датчики, которые контролируют положение колес относительно рельсовой колеи и блок управления, который имеет непосредственную связь с тормозной системой и с системой оповещения, находящейся в кабине машиниста.

Емкостные датчики, входящие в состав измерительного модуля, позволяют выполнить индикацию величины поперечного перемещения колес железнодорожного экипажа в пределах основного и резервного профилей колесной пары. Измерительный модуль выполнен таким образом, что имеет возможность, в отличие от существующих аналогов, крепиться к раме тележки, что дает возможность амортизировать силовые импульсы со стороны рельсовой колеи благодаря рессорному подвешиванию тележки.

Результат измерения, а именно - величина горизонтального перемещения, определяется расчетным путем в масштабе реального времени. В диапазоне измеряемых значений поперечного смещения колеса относительно головки рельса от - 25 мм до + 25 мм относительная погрешность измерения не превышает 15%.

Результаты диссертационной работы используются в ОАО "ХК "Лугансктепловоз", на Приднепровской железной дороге и в учебном процессе ВНУ им. В. Даля и ДНУЖТ им. академика В.Лазаряна.

Ключевые слова: колесная пара, дополнительный гребень, резервный профиль колеса, подвижной состав специального назначения, контактное взаимодействие, система противодействия сходу.

колісний вантажний вагон колія

THE SUMMARY

Degtiarova L.N. “Special Rolling Stock Derailment Prevention by Creating Complex System of Counteraction” - Manuscript.

Thesis on obtaining academic degree of Technical Sciences Candidate (Ph.D.) within the speciality - Rolling Stock of Railways and Hauling Operation. - Volodymyr Dahl East Ukrainian National University, Lugansk, 2010.

Rational selection of wheel profiles parameters has been recognized as one of the most effective means of rolling stock and track interaction improvement.

The thesis deals with the issues of special rolling wheels derailment counteraction owing to improvement of wheelsets construction by means of creating extra reserve rolling and counter comb profile, as well as creating complex system of derailment counteraction. In the thesis there have been suggested improved mathematical models of specialized freight cars spatial oscillation. There has been considered the wheelset both wheels contact under condition of single-point comb contact on one wheel and two-point contact on the other.

The suggested special rolling stock derailment counteraction system contains the following elements: wheelset with reserve rolling profile, sensors controlling wheels position towards rail track and control unit directly connected with braking system and warning system that is in driver's cab.

Key words: wheelset, extra comb, reserve wheel profile, special appointment rolling stock, contact interaction, system of derailment counteraction.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Перспективи розвитку залізничного транспорту, призначеного для вантажів, що потребують особливих умов перевезення (азотна, соляна, сірчана кислота, пропан, аміак, нафта, зріджений газ, вибухові матеріали, самозаймисті речовини, отруйні і інфекційні речовини, радіоактивні матеріали тощо), пов'язані з удосконаленням технічних засобів транспорту, підвищенням їх вантажообігу та безпеки пересування. Однією з основних умов надійності функціонування залізничного транспорту, призначеного для перевезення небезпечних вантажів та вантажів спеціального призначення, є запобігання сходам рухомого складу з рейок, захист навколишнього середовища від небезпечних наслідків, що можуть трапитись під час аварії залізничного екіпажу зі специфічним вантажем.

Сход з рейкової колії поїздів при перевезенні вантажу, що потребує особливих умов транспортування, призводить до важких наслідків і в деяких випадках має характер регіональної екологічної катастрофи. Наприклад, тільки на залізницях України в 2007 році було зареєстровано 623 випадки транспортних подій, у тому числі 125 сходів рухомого складу з рейок. Серед найбільш масштабних випадків можна назвати так звану "фосфорну катастрофу", яка відбулася 16 липня 2007 року на перегоні Красне-Ожідів Львівської області. Під час цієї аварії, в результаті сходу коліс з рейок, перекинулися 15 цистерн з жовтим фосфором. Економічні збитки від цієї аварії Міністерство охорони навколишнього середовища оцінило у 5,5 млн гривень.

Аналіз транспортних аварій, пов'язаних зі сходом коліс з рейок, показує, що вирішення цієї проблеми можливе за допомогою застосування інноваційних рішень, які протидіють сходу коліс із рейок та забезпечують підвищення безпеки руху. Рівень безпечної експлуатації рухомого складу на залізницях визначається наявністю запасу стійкості рейкового екіпажу, тому вирішити питання запобігання сходу рейкових екіпажів з рейок можна шляхом створення (за рахунок конструктивних факторів) у зоні контакту колесо-рейка сил, які протидіють сходу коліс із рейок.

Таким чином, напрямок дисертаційної роботи - запобігання сходу з рейок спеціального рухомого складу шляхом створення комплексної системи протидії є актуальною науково-прикладною задачею для залізничного транспорту України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами.

Напрям дисертаційного дослідження відповідає Концепції реформування транспортного сектора України, Програмі підвищення безпеки руху на залізницях України, затвердженої наказом «Укрзалізниці» № 547-Ц від 15.10.2001 р., Державній програмі розвитку рейкового рухомого складу залізниць України в 2006-2015 рр., Стратегії розвитку залізничного транспорту до 2020 року, затвердженої Кабінетом міністрів України 16.12.2009р.

Робота відповідає напрямам наукових досліджень Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля та Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна.

Дослідження проводились згідно Плану нової техніки ВАТ «Холдингової компанії «Луганськтепловоз» за темою К2008-06 «Роботи з підвищення якості і надійності своєї продукції і забезпечення технічного доробку».

Дисертаційна робота виконана згідно з держбюджетною науково-дослідною роботою ДН-32-03 ''Створення перспективних конструкцій засобів рейкового транспорту і обґрунтування їх ефективності на підставі модульної інформаційної системи" (номер держ. реєстрації 01031U00422), науково-дослідною роботою КДН-14-05 «Автоматизована система керування (АСК) надійністю і діагностики рухомого складу (РС) на стадії проектування та експлуатації», яка виконувалася за державною науково-технічною програмою «Ресурс» МОН України (номер держ. реєстрації 0105U08785) і держбюджетною науково-дослідною роботою ДН-29-06 «Розробка теорії фізико-хімічних процесів тертя при силовому контакті в процесах кочення й ковзання» (номер держ. реєстрації 0106U00289), за якими автор є одним з виконавців і авторів звітів.

Мета й завдання дослідження.

Забезпечення протидії сходу коліс спеціального рухомого складу з рейок за рахунок удосконалення конструкції колісних пар та створення відповідної автоматизованої системи контролю.

Досягнення поставленої мети вимагає вирішення таких завдань:

аналіз наукових публікацій у галузі динаміки залізничних екіпажів і моделювання взаємодії колеса з рейкою;

математичне моделювання взаємодії колеса та рейки за умови рівноваги візка;

математичне моделювання геометричної відповідності профілів колісних пар у двох-гребеневому виконанні, та рейкової колії;

математичне моделювання взаємодії колеса двогребеневому виконанні та рейкової колії;

аналіз отриманих теоретичних результатів та перевірка їх адекватності;

розробка технічних рішень із запобігання сходу колісних пар з рейок та їх експериментальна перевірка;

розробка рекомендацій з впровадження запропонованих технічних рішень.

Об'єкт дослідження. Процес силової взаємодії колісних пар, у двогребеневому виконанні з рейковою колією.

Предмет дослідження. Закономірності впливу динамічних, конструктивних і геометричних чинників на протидію сходу коліс з рейок.

Методи дослідження.

Для вирішення поставлених завдань використовувалися: комп'ютерне моделювання досліджуваних процесів; методи моделювання геометричних параметрів запропонованих пристроїв; методи планування експерименту і методи статистичної обробки експериментальних даних. Розробка математичної моделі контактної взаємодії гребеня колеса з рейкою виконувалась з використанням диференційних рівнянь, теоретичної механіки, динаміки механічних систем, теорії тертя, математичного та імітаційного моделювання, аналітичної геометрії.

Наукова новизна отриманих результатів:

отримала подальший розвиток методика створення робочого профілю коліс для спеціального рухомого складу, яка враховує двогребеневе виконання поверхні кочення;

удосконалено математичну модель просторових коливань чотиривісного рейкового екіпажу спеціального рухомого складу в частині визначення потенційної енергії з урахуванням наявності контргребеня та особливостями взаємодії колеса, у двогребеневому виконанні, та рейки;

вперше отримано закономірності силової взаємодії колісної пари у двогребеневому виконанні та бічної грані головки рейки при одно- і двоточковому контакті колеса з рейкою;

вперше отримано залежність, яка характеризує вплив поперечних сил при вписуванні екіпажу в криві при контакті колеса у двогребеневому виконанні з рейкою.

Практичне значення отриманих результатів:

розроблено колісну пару для спеціального рухомого складу, профіль якої характеризується наявністю додаткової доріжки кочення та контргребеня, що забезпечує протидію сходу колісної пари з рейок в той час, коли основний гребінь колеса вкочується на робочу поверхню рейки;

розроблено датчик, який має можливість контролювати положення колісної пари відносно рейкової колії та надавати сигнал при перекочуванні колеса на додаткову доріжку кочення;

розроблено систему запобігання сходу коліс спеціального рухомого складу, що дає можливості протидіяти сходу коліс за рахунок наявності додаткової доріжки кочення та додаткового гребеня, забезпечує контроль положення колісної пари в рейковій колії і надає в автоматичному режимі інформацію про положення колісної пари відносно рейкової колії. Систему протидії сходам та її складові захищено трьома деклараційними патентами України на корисну модель (№38720, №28887, №52359).

Особистий внесок автора:

Всі результати, наведені в дисертаційній роботі, отримані особисто автором. Роботу [10] виконано без співавторів. В наукових працях, надрукованих у співавторстві, внесок автора такий:

визначено завдання наукових досліджень, проведено аналіз робіт у галузі дослідження динаміки залізничних екіпажів і моделювання контактної взаємодії колеса з рейкою [1];

теоретично досліджено проблеми, які представляють загрозу безпечному функціонуванню залізниць, і наявність та принципи функціонування пристроїв протидії сходу колісних пар з рейок [2];

удосконалено математичну модель взаємодії колеса та рейки з використанням пристроїв протидії сходу, з дотриманням умов рівноваги візка [3];

теоретично досліджено динаміку силової взаємодії колісних пар, обладнаних пристроями для протидії сходу, і рейок [4];

виконано математичне моделювання силової взаємодії рейки та ободу колеса зі зміненим профілем кочення [5];

здійснено обробку та аналіз результатів імітаційних досліджень руху колісної пари з урахуванням видозміни профілю кочення колісної пари [6];

обґрунтовано розробку та використання нового профілю колеса залізничного екіпажа із зовнішнім гребенем (контргребенем), який сприятиме запобіганню сходам колісних пар з рейок [7-9].

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися і були схвалені на 69-й Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту” (Дніпропетровськ, 2009); XIХ Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми розвитку рейкового транспорту” (Крим, 2009), XХ Ювілейній Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми розвитку рейкового транспорту” (Крим, 2010). В повному обсязі робота доповідалася 15.10.2010 р. на науковому семінарі при спеціалізованій вченій раді Д29.051.03 СНУ імені Володимира Даля.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 наукових праць, у тому числі 6 статей у спеціалізованих фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 3 деклараційних патенти України на корисну модель та 1 тези доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел. Повний обсяг роботи 212 сторінок, 54 рисунки на 22 сторінках, 16 таблиць на 13 сторінках, 4 додатки на 29 сторінках, 144 літературних джерела на 16 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність досліджень, спрямованих на зниження вірогідності сходу з рейок колісних пар спеціального рухомого складу, сформульовано мету і завдання дослідження, викладено наукову новизну та практичне значення результатів роботи.

У першому розділі виконано огляд та аналіз робіт з дослідження динаміки залізничних екіпажів та питання сходу коліс з рейок, як складової проблеми забезпечення безпеки руху, проаналізовано існуючі допоміжні пристрої, призначення яких - запобігти аваріям та зменшити масштаби катастроф у разі сходу колісної пари з рейкової колії та огляд існуючого математичного моделювання контактної взаємодії колеса з рейкою.

Аналіз фундаментальних теоретичних та експериментальних досліджень свідчить про те, що колісна пара є одним з основних і найбільш навантажених елементів ходової частини залізничного екіпажу.

Значна кількість досліджень, присвячених проблемі взаємодії колеса та рейки, зумовлена тим, що саме від процесів, які відбуваються в контакті “колесо-рейка”, залежать швидкість руху, сили подолання опору руху, знос коліс і рейок та безпека руху рухомого складу. Вивченню різних аспектів проблеми взаємодії коліс рухомого складу з рейками присвячені наукові праці В.А. Лазаряна, О.М. Коняєва, П.С.Анісімова, А.А.Бітюцького, Е.П. Блохіна, Г.І. Богомаза, Ю.П. Бороненко, В.М. Бубнова, М.Ф. Веріго, С.В. Вершинського, О.Л. Голубенка, М.І. Горбунова, В.Д. Дановича, Ю.В. Дьоміна, В.Н. Іванова, А.О. Камаєва, М.Б. Кегліна, М.Б. Кельриха, А.Я. Когана, М.Л. Коротенка, Ю.А. Кулікова, С.М. Куценка, Л.П. Лінгайтіса, О.А. Львова, Л.А. Манашкіна, С.В. Мямліна, Г.М. Орлової, Ю.І. Осеніна, О.М. Пшінько, М.О. Радченка, С.Ф. Редько, А.М. Савоськина, О.М. Савчука, В.В. Скалозуба, М.М. Соколова, Е.Д. Тартаковського, Т.А. Тібілова, В.П. Ткаченка, О.В.Третьякова, В.Ф. Ушкалова, В.М.Філіппова, В.Д. Хусідова, І.І. Челнокова, Л.А. Шадура та ін., а також іноземних вчених Ф. Картера, К. Мюллера, Х.Хеймана та ін. Зараз, завдяки роботам цих учених, можна говорити про досить повне опрацювання теоретичних питань, пов'язаних з встановленням оптимальних параметрів системи “екіпаж-рейкова колія”.

Аналіз теоретичних розробок, статистичних даних про аварійні ситуації, що траплялися на українських магістралях, а також на залізницях Європи та світу дає змогу зробити висновок, що однією з головних причин сходу колісних пар з рейок є вкочування гребеня колеса на головку рейки. Випадки сходу з рейок вантажних вагонів спеціального призначення можуть призводити до тяжких технічних, економічних, соціальних та екологічних наслідків. А, згідно з результатами патентного пошуку, допоміжні пристрої, які існують сьогодні, виконують функції сигналізування про схід колеса з рейок, а не запобігають виникненню цієї ситуації.

У зв'язку з цим в роботі сформульовані і вирішені завдання дослідження, що сприяють досягненню поставленої мети, а саме: забезпечення безаварійного руху шляхом зниження можливості сходу з рейок колісних пар спеціального рухомого складу за рахунок використання удосконаленого профілю колеса.

Другий розділ присвячений математичному моделюванню динамічної взаємодії колеса, оснащеного додатковими елементами протидії сходу, та рейки. Для визначення механізму взаємодії системи “екіпаж-колія” з урахуванням додаткових елементів, що запобігають сходу з рейок, в роботі запропоновані удосконалені математичні моделі просторових коливань спеціалізованих вантажних вагонів.

При створенні розрахункової схеми математичної моделі динамічної взаємодії колісної пари з рейковою колією сформульовано основні припущення: розглядається рух екіпажу з постійною швидкістю однорідною колією довільної траєкторії, вертикальне навантаження розподілено рівномірно на всі колеса візків рейкового екіпажу, профілі поверхонь кочення коліс однакові.

Відомо, що обриси профілю колеса і рейки істотно впливають на показники контактної взаємодії та динамічні показники руху залізничного екіпажу в цілому. Тому визначення раціональних параметрів профілів кочення коліс є одним з найефективніших засобів покращення взаємодії рухомого складу та колії, що сприяє зниженню поперечних сил та напруження в точках контакту колеса та рейки.

Для утримання рухомого складу на рейковій колії за допомогою додаткових елементів, що протидіють сходу при вкочуванні гребеня колеса на головку рейки в схемі сил (рис. 1), які діють на візок, введено додаткові поперечні сили.

Зовнішня сила тертя в зоні контакту представлена виразом:

,

де F₀ - сила тертя ковзання ( N - нормальна сила, прикладена до колеса; f_сц - коефіцієнт зчеплення колеса з рейкою);

F_т - сила сухого тертя: ( м - коефіцієнт сухого тертя (0,25);

F_к - сила тертя кочення колеса по рейці ( G і G_в - маса вантажу і вагона, D - діаметр колеса по кругу кочення; k - коефіцієнт тертя кочення колеса по рейці).

Завдяки врахуванню додаткових сил у точках контакту коліс і рейок, що діють на колісну пару, утримуючи її на рейках, класична система рівнянь рівноваги візка (1) і коефіцієнт запасу стійкості колеса проти сходу з рейок (2), згідно з Нормами розрахунку при проектуванні вагонів, будуть мати вигляд:

Наявність утримуючого пристрою або контгребеня на колесі з боку конічної частини приводить до появи додаткової точки контакту колісної пари з рейкою. Додаткова точка контакту моделюється як пружний контакт з використанням пружного елементу. Пружний елемент використовується у зв'язку з тим, що цей контакт є проміжним і відбувається триває короткий проміжок часу. Враховуючи це, у математичній моделі просторових коливань чотиривісного рейкового екіпажу, представлену у вигляді рівнянь Лагранжа 2-го роду, вводяться додаткові члени:

(3)

де - жорсткість пружного елемента, що імітує зв'язок контргребеня з рейкою у момент контакту;

- деформація пружного елемента, що імітує зв'язок контргребеня -го колеса -ої колісної пари з рейкою.

Деформація визначається з урахуванням горизонтального поперечного переміщення колісної пари в рейковій колії і зазору між контргребенем і рейкою:

, якщо ?0;

, якщо ?0, ,

де - поперечне переміщення i-ої колісної пари;

- радіус -го колеса -ої колісної пари, що відповідає поточному положенню точки контакту;

- кут бічного кочення -ої колісної пари;

- поперечне горизонтальне віджимання рейки під -им колесом -ої колісної пари;

- горизонтальна нерівність рейкової колії під -им колесом -ої колісної пари;

- зазор між диском -го колеса -ої колісної пари і рейкою.

Формула для визначення потенційної енергії системи, оснащеної колісною парою з контргребенем, матиме вигляд (4).

У виразі (4) прийняті такі позначення деформацій пружних елементів:

G_т, G_р, G_б(ху) - жорсткість пружних елементів шворня в контакті рами котла цистерни з візками, рейки (віджимання елементів колії) та поздовжня (в напрямі осі х) і поперечна (в напрямі осі у) жорсткості буксових зв'язків колісної пари з рамою візка відповідно;

- деформація пружних елементів сполучень візків з котлом цистерни при відносному поперечному переміщенні у напрямі координат ;

- зміщення буксових вузлів при переміщенні колісних пар відносно осі у та координати у повздовжньому та поперечному напрямі;

- переміщення рейок при віджиманні елементів рейкової колії при контакті з колісними парами.

(4)

Додатковий контакт розглядається незалежно від основного контакту колеса і рейки. Математична модель силової взаємодії колісної пари та рейки входить до складу повної моделі просторових коливань рейкового екіпажу.

Третій розділ присвячений математичному моделюванню контактної взаємодії колісної пари з контргребенем та рейки, дослідженню та визначенню геометричних параметрів контактування та силового навантаження колісної пари зі зміненим профілем та рейки і розгляду одно- та двоточкового контактів колеса з рейкою.

У реальних умовах руху колісна пара виконує складні просторові переміщення, під час яких трапляється стикання гребеня колеса з боковою поверхнею головки рейки, що призводить до виникнення додаткових бічних сил. Для того, щоб звести ці сили до мінімуму, або для їх корисного використання пропонується оснастити колеса ще одним гребенем із зовнішньої сторони колеса. При моделюванні нового профілю передбачається, що додатковий зовнішній гребінь повинен мати, подібно до основного гребеня, деякий кут нахилу до горизонтальної площини для запобігання ударам по рейці при значному поперечному переміщенні колісної пари. Цей кут має бути більше кута нахилу основного гребеня для того, щоб уникнути процесу вкочування ненабігаючого колеса зовнішнім гребенем на рейку. Окрім цього проміжок між ненабігаючим колесом і рейкою із зовнішнього боку колії має бути таким, щоб зовнішній гребінь не перешкоджав поперечному переміщенню колісної пари до того моменту, коли набігаюче колесо у момент вкочування на голівку рейки, втратить контакт з рейкою по поверхні кочення.

Контакт колеса з рейкою найбільш достовірно розглядається в єдиній конструкції колісної пари і двох рейок в колії. У даній роботі розглянуто контакт обох коліс колісної пари за умови одноточкового гребеневого контакту на одному колесі і двоточкового на іншому.

На рис. 3 представлено розрахункову схему положення колісної пари в колії для подальшого математичного моделювання сил, що дозволяють визначити величину проміжку між контргребенем і бічною поверхнею головки рейки.

В процесі поперечного переміщення колісної пари (наприклад, вправо) з подальшим вкочуванням гребеня правого колеса на головку рейки колісна пара займе положення.

За умови, що зв'язок колеса з рейкою буде таким, що утримує, при розгляді двоточкового контакту колеса з рейкою враховується дія напруги між бічною поверхнею голівки рейки, гребеня або контргребеня колісної пари. У розрахунковій схемі ця напруга моделюється пружним опором пружини, який відтворює жорсткість при контакті колеса і рейки.

Через малу конічність поверхні кочення колеса можна вважати, що сила (рис.4) діє строго вертикально. У другій точці контакту, яка розташована на поверхні зовнішнього гребеня, виникає сила, що перешкоджає подальшому переміщенню колісної пари вправо (). Ця сила має дві складові: поперечну () і вертикальну ():

,

де - поперечне переміщення колісної пари; - горизонтальна нерівність рейкової нитки;

- дельта-функція, що приймає значення 1, при і 0 у протилежному випадку;

- питома сила опору рейки, що вигинає рейку всередину колії (жорсткість фіктивної пружини між рейкою та зовнішнім гребенем).

Таким чином, при ситуації, коли на ненабігаюче колесо діятимуть дві додаткові сили і , які можуть бути визначені з урахуванням статичного навантаження на колесо (Р_ст):

,

Залежно від значення коефіцієнта тертя, що змінюється в межах , може змінюватись в інтервалі , а зазор між колесом та рейкою .

Для перевірки оцінки ефективності коліс з додатковими гребенями за допомогою програми DYNRAIL виконано імітаційне моделювання руху завантаженої цистерни правіою кривою радіусом 300 м. З метою отримання наочного результату були вибрані наступні вихідні данні для моделювання:

довжина кривої 400м (100м вхідна крива + 200м кругова крива + 100м вихідна крива);

швидкість руху обрана більше, більша за допустиму для таких кривих;

колія не має нерівностей;

проміжок між зовнішньою стороною головки рейки і додатковим гребенем =15мм.

Для аналізу процесу взаємодії коліс, що мають додаткові гребені, з рейками, в ході моделювання реєструвалися наступні осцилограми:

бічне віднесення першої по ходу руху колісної пари;

поперечні сили взаємодії першої колісної пари з лівою рейкою;

поперечні сили взаємодії першої колісної пари з правою рейкою.

У четвертий розділ увійшли результати досліджень, спрямованих на конструкторсько-технологічну реалізацію запропонованих у дисертації рішень.

Аналіз процесу сходу коліс рухомого складу з рейок, а також висновки, отримані у розділах 2 і 3 свідчать, що найбільш ефективну протидію сходу коліс спеціального рухомого складу з рейок можна забезпечити за рахунок засобів, що містять елементи, які утримують колісну пару у рейковій колії, та елементи, які дають змогу в автоматичному режимі виконати відповідні дії щодо екстреної зупинки рухомого складу, а також надати інформацію локомотивній бригаді про загрозу сходу.

Виходячи з вищенаведеного, а також з отриманих в дисертації результатів, дію системи протидії сходу з рейок коліс спеціального рухомого складу можна представити у вигляді блок-схеми.

Для підвищення протидії сходу рухомого складу з рейок було поставлено задачу удосконалення колісної пари рейкового транспортного засобу шляхом зміни профілю поверхні кочення колеса та додаванням контргребеня, що сприятиме протидії сходу колісної пари з рейкової колії.

У випадку аварійної ситуації, коли одне з коліс колісної пари вкочується внутрішнім гребенем на головку рейки, інше колесо контактує, спираючись на контргребінь, з головкою рейки і, завдяки криволінійній поверхні, що з'єднує контргребінь з поверхнею кочення за допомогою перехідної кривої повертається у вихідне положення контакту поверхнею кочення колеса з головкою рейки після проходження небезпечної ділянки колії. При цьому слід зазначити, що кочення колеса по резервному профілю є аварійним режимом експлуатації, і тому не може тривати значний проміжок часу. Поверхня кочення поєднана з контргребенем за допомогою перехідної кривої створює резервний профіль кочення. Загальний розмір товщини ободу колеса змінюється зі стандартної величини A (130+3мм) до L, яка складається з товщини контргребеня та довжини перехідної ділянки криволінійної поверхні резервного профілю. Висота контргребеня, що не виходить за межі розміру круга кочення колеса, не дозволяє колесу контактувати зі стрілочним переводом, але є достатньою, щоб увійти у контакт з бічною робочою гранню головки рейки.

Метою створення та застосування датчиків є індикація величини горизонтального бокового переміщення коліс залізничного екіпажа у межах основного та резервного профілів колісної пари. Вимірювальний модуль, на відміну від існуючих аналогів, закріплено на рамі візка, в результаті, за рахунок зниження рівня динамічного впливу на пристрій, підвищується надійність його роботи. Принцип роботи датчика заснований на зміні електричної ємності конденсатора, утвореного поверхнею кочення рейки і пластин, розташованих над нею. Результат вимірювання, а саме - величина горизонтального переміщення, визначається розрахунковим шляхом в масштабі реального часу.

Для обробки результатів вимірювання використовується мультипроцесорна система. Один мікропроцесор, розташований у вимірювальному модулі в безпосередньому наближенні до об'єкту виміру, здійснює первинну обробку інформації і передає її через послідовний канал зв'язку мікропроцесору пристрою індикації. Візуальне відображення інформації здійснюється за допомогою знакосинтезуючого рідкокристалічного індикатора, який відображає розраховане значення поперечного переміщення колеса щодо головки рейки в міліметрах і, для зручності оперативного сприйняття інформації, результат, представлений в мнемонічному вигляді. При переміщенні колеса на резервний профіль, у верхньому рядку індикатора виводиться напис "СХІД КОЛЕСА".

До основних характеристик пристрою належать:

діапазон переміщень, що вимірюються в горизонтальній площині в напрямі, перпендикулярному напряму руху від - 35 до +35мм;

одиниця шкали вимірювання 1 мм (0,01 см);

відстань від поверхні кочення рейки до вимірювального модуля 50 мм;

період часу, за яким проводяться вимірювання, - 0,05с;

період часу, що використовується для розрахунку і індикації результатів вимірювань - 0,25с.

Пристрій дає змогу фіксувати момент перекочування колеса на резервний профіль і заздалегідь передбачити момент сходу колісної пари з рейкової колії. Для виключення можливості помилкового сигналу, який датчик може подати, наприклад, при проходженні стрілочних переводів, вимірювальний модуль, що складається з двох датчиків, закріплених відповідно над лівою і правою рейками, установлюють на кожну колісну пару.

Значення частот F_L і F_R, як залежність від величини поперечного зсуву колеса відносно головки рейки, для різної величини зазору між поверхнею кочення колеса і головкою рейки, були заміряні експериментально.

Для оцінки адекватності результатів експерименту зроблено перерахунок експериментальних даних для частот F_L і F_R для порівняння отриманих розрахунковим шляхом значень Z з реальними значеннями поперечних переміщень Z₀, узятими з експерименту. Узагальнено результат представлений у вигляді сімейства залежності Z = F(Z₀) при різних зазорах між поверхнею кочення рейки і вимірювальним модулем графічно відображені на рис. 10, де відображено порівняння розрахункових величин з даними, отриманими експериментально.

Розроблена математична модель відображає зв'язок частот F_L і F_R з величиною горизонтального переміщення колеса Z відносно головки рейки. Цю залежність представлено у вигляді:

В діапазоні вимірюваних значень поперечного зсуву колеса щодо головки рейки від - 25 мм до + 25 мм відносна похибка вимірювання не перевищує 15%.

Таким чином, сформовано комплексну систему протидії сходу колісних пар спеціального рухомого складу з рейок, що включає в себе як необхідний математичний апарат моделювання, так і технічні рішення щодо уникнення вкочування коліс на рейки.

ВИСНОВКИ

В роботі вирішена актуальна для залізничного транспорту спеціального призначення науково-прикладна задача, пов'язана з забезпеченням протидії сходу екіпажу з рейок за рахунок розробки системи протидії сходу з використанням колісної пари у двогребеневому виконанні.

1. Аналіз стану наукових досліджень в галузі динаміки залізничних екіпажів показав, що одними з головних причин сходів рухомого складу з рейок є вкочування гребенів коліс на головку рейок, а визначення раціональних параметрів профілів коліс - це найбільш ефективні засоби поліпшення взаємодії рухомого складу та колії та підвищення безпеки руху. За результатами аналізу матеріалів патентного пошуку можна засвідчити, що існуючі допоміжні пристрої виконують функцію сигналізації про схід колеса з рейки, а не запобігають виникнення цієї ситуації. Тому необхідно удосконалити систему протидії сходу рухомого складу з рейок.

2. Вдосконалено математичну модель, що, поряд з показниками динамічної навантаженості рейкових екіпажів, включає модель розрахунку показників поперечної горизонтальної динаміки екіпажів з урахуванням використання удосконаленого профілю колісної пари та поперечних деформацій рейкових ниток. Отримано нові залежності між параметрами руху екіпажу і параметрами контактування обох коліс у двогребеневому виконанні з рейками, що дає можливість відстежувати поведінку колеса під час руху і фіксувати небезпечні фази взаємодії з метою вжиття заходів щодо запобігання сходу та покращення динамічних показників безпеки руху.

3. Удосконалено метод геометричного моделювання формоутворення нової конструкції профілю колісної пари та досліджень геометричних характеристик контактування, уточнено характер горизонтальних сил, що діють у контакті колеса та рейки і забезпечують переміщення кожної колісної пари в напрямку, протилежному дії бічної сили та сприяють підвищенню стійкості руху.

4. Запропоноване науково-обгрунтоване технічне рішення конструктивного виконання колісної пари у двогребеневому виконанні, що відповідає існуючим нормам розрахунку за критеріями вертикальної та горизонтальної динаміки, а також показників стійкості руху. Результати розрахунку коефіцієнтів динаміки та поперечної стійкості для колісної пари у двогребеневому виконанні збігаються з розрахунковими даними для вантажних вагонів із суцільнокатаними колесами в межах 10-15% і не перевищують нормативних значень. Так, для не обресорених елементів рами візка вантажного вагону вони складають: для коефіцієнта вертикальної динаміки 0,60-0,90 в порожньому режимі та 0,5-0,85 в навантаженому режимі, для рамних сил в долях осьового навантаження відповідно 0,25-0,40 для порожнього та 0,20-0,38 для навантаженого режимів.

5. Адекватність математичної моделі теоретично доведено з використанням імітаційного моделювання, за допомогою якого на спеціальнорозробленій автором математичній моделі силової взаємодії колісної пари та колії, доведено, що максимальна поперечна сила взаємодії колісної пари, яка має додаткові гребені, з рейковою колією при поперечному переміщенні екіпажу більше (48 кН проти 32 кН) для колісної пари стандартної конструкції, що свідчить про те, що ця додаткова сила (16 кН) і є силою, що протидіє сходу з рейок і на 33% збільшує вірогідність утримання колісної пари на рейковій колії. Ці обставини надають перевагу при поперечному переміщенні екіпажу з колісними парами у двогребеневому виконанні, ніж при використанні колісної пари зі стандартними суцільнокатаними колесами.

6. Розроблено удосконалений профіль залізничного колеса у двогребеневому виконанні, що забезпечує додатковий контакт у горизонтальній площині при поперечних коливаннях колісної пари відносно рейкової колії та додає екіпажу стійкості і збільшує сили опору коліс проти сходу з рейок при проходженні криволінійних ділянок колії. Конструкція колеса у двогребеневому виконанні захищена автором патентом на корисну модель.

7. Розроблено систему протидії сходу з рейок коліс спеціального рухомого складу, що містить колісну пару з резервним профілем кочення, датчики для фіксації моменту перекочування колеса на резервний профіль і блок управління, який має безпосередній зв'язок з гальмівною системою і з системою оповіщення в кабіні машиніста.

8. Для оцінки ефективності використання ємкісних датчиків у системі протидії сходу колісної пари у двогребеневому виконанні використано порівняння розрахункових значень горизонтального переміщення колеса відносно головки рейки з використанням частот, отриманих за результатами експерименту з реальними значеннями поперечних переміщень колісної пари. В діапазоні вимірюваних значень поперечного зсуву колеса відносно головки рейки від - 25 мм до + 25 мм відносна похибка вимірювання не перевищує 15%.

9. Методики, висновки та рекомендації дисертації прийняті до впровадження ХК «Луганськтепловоз» та на Придніпровській залізниці з метою використання методики розрахунку профілю колісної пари у двогребеневому виконанні та впровадження системи протидії сходу з рейок коліс спеціального рухомого складу. Частину результатів також впроваджено в Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В.Лазаряна та у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля в навчальний процес та при проведенні наукових досліджень, про що свідчать відповідні акти впровадження.

10. Прогнозований економічний ефект від впровадження запропонованих технічний рішень складає орієнтовно 98 тис. грн. на один поїзд з 60 вантажних вагонів спеціального призначення за рік.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дегтярьова Л. М. Фактори та засоби впливу на протидію сходу коліс з рейок / І.М. Бєлобородова, Л.М. Дегтярьова, О.В. Сергієнко // Вісник Східноукр. нац-го університету ім. В.Даля. -- 2007.-- № 12 (118) -- 202 с.

2. Дегтярьова Л.М. Проблеми безпеки руху залізничних потягів і шляхи протидії сходу екіпажа з рейок [Електронний ресурс] / Л.М. Дегтярьова, Ю.І. Осенін // Вісник Східноукр. нац-го університету ім. В.Даля. - 2008. - №1Е. - Режим доступу до журн.: http://www.nbuv.gov.ua/e-journals/Vsunud/2008-1E/08dlmser.htm

3. Дегтярева Л.М. Математическое описание силового взаимодействия колес и рельсов / Л.М. Дегтярева, С.В. Мямлин, Ю.И. Осенин //Вісник Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна. -- 2009. -- вип. 28.-- С. 21-25.

4. Дегтярьова Л.М. Математичний опис силової взаємодії колісних пар, обладнаних пристроями для протидії сходу, і рейок / Л.М. Дегтярева, С.В. Мямлин, Ю.И. Осенин // Вісник Східноукр. нац-го університету ім. В.Даля. - 2009.- №4(134), І ч. - С. 21-25.

5. Дегтярьова Л.М. Колесо железнодорожного экипажа с внешним гребнем/ Дегтярева Л.Н., Мямлин С.В., Осенин Ю.И. // Зб. наук. праць ДонІЗТ. Вип. 22. -- Донецьк: ДонІЗТ, 2010. -- С. 154-163.

6. Дегтярьова Л.М. Динамічна взаємодія рейкової колії з новим профілем кочіння колісної пари / Дегтярьова Л.М., Мямлін С.В., Сапронова С.Ю. // Вісник Східноукр. нац-го ун-ту ім. В.Даля. - 2010.- №5(147), частина 1. - С. 157-163.

7. Деклараційний патент на корисну модель №28887 Україна, МПК В61L3/00. Пристрій для протидії сходу залізничного складу з рейок / Осенін Ю.І., Дегтярьова Л.М.; заявник і патентовласник Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. - № u200709380; заявл. 17.08.2007; опубл. 25.12.2007, Бюл. №12.

8. Деклараційний патент на корисну модель №38720 Україна, МПК В61F19/00. Пристрій для запобігання сходу колісної пари з рейок / Осенін Ю.І., Дегтярьова Л.М.; заявник і патентовласник Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. - № u200807260; заявл. 26.05.2008; опубл. 12.01.2009, Бюл. №1.

9. Деклараційний патент на корисну модель №52359 Україна, МПК (2009) В60В3/00, В 60 17/00. Колесо рейкового транспортного засобу / Дегтярьова Л.М. Осенін Ю.І.; заявник і патентовласник Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. - № u201001728; заявл. 18.02.2010; опубл. 25.08.2010, Бюл. № 16.

10. Дегтярьова Л.М. Підвищення безпеки руху поїздів шляхом протидії сходу вагонів з рейок //Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту: 69 міжнар. наук.-практ. конф., 21-22.05 2009 р., тези доповід. -- Дніпропетровськ, 2009 -- С. 22.

Размещено на Allbest.ru

...