Оценка влияния параметров рельсовой колеи на интенсивность износа рельсов в кривых

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка влияния параметров рельсовой колеи на интенсивность износа рельсов в кривых

Специальность 05.22.06 Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

АНТЕРЕЙКИН ЕВГЕНИЙ СЕРГЕЕВИЧ

МОСКВА, 2010

Работа выполнена на кафедре «Путь и путевое хозяйство» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СГУПС)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Карпущенко Николай Иванович

Официальный оппонент: доктор технических наук, профессор Певзнер Виктор Ошерович

кандидат технических наук Загитов Эльдар Данилович

Ведущая организация: Самарский государственный университет путей сообщения

Защита состоится 15 апреля 2010 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.11 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 1235.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Ю.А. Быков

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В современных экономических условиях одним из перспективных направлений в работе железнодорожного транспорта является повышение надежности пути и ходовых частей подвижного состава при одновременном снижении эксплуатационных расходов на основе перехода от затратных к ресурсосберегающим технологиям.

Одним из таких направлений является снижение интенсивности износа рельсов и колес подвижного состава. Связано это с тем, что в середине 80-х годов прошлого века интенсивность износа рельсов в кривых и подрез гребней резко возросли.

Некоторые специалисты связывают это с переходом в 1970 г. со стандартной ширины колеи 1524 мм на 1520 мм. Анализ научно-исследовательских работ, предшествующих переходу на суженную колею 1520 мм показал, что в тот период сколько-нибудь значимой проблемы бокового износа рельсов и гребней колес не было, а возникла она, в 80-х годах.

Какие события следует отметить за период в части влияния на условия взаимодействия пути и подвижного состава?

Переход на унифицированную ширину колеи 1524 мм в кривых радиусом 350 м и более с 1957 г.

Уменьшение ширины колеи с 1524 мм до 1520 мм в прямых и кривых радиусом 350 м и более с 1970 г.

Укладка объемнозакаленных рельсов типа Р65 начиная с 1966г.

Переход с подшипников скольжения на роликовые с 1970 г. с прекращением попадания смазки из букс на рельсы и устранением поперечных разбегов колесных пар.

Переход с чугунных тормозных колок на композитные, что привело к резкому снижению проката и резкому возрастанию браковки колес по тонкому гребню и выщербинам.

Увеличение среднего возраста (старение) парков грузовых вагонов и локомотивов начиная с 90-х годов по сравнению с 70-ми годами прошлого века.

Количественной оценки влияния этих факторов на интенсивность износа до сих пор нет.

В связи с этим, актуальной проблемой является изучение процессов износа рельсов и колес подвижного состава и разработка предложений по продлению сроков их службы и стабилизации параметров рельсовой колеи в кривых.

Объектом исследования является верхнее строение пути в кривых.

Предметом исследования являются процессы взаимодействия в системе “колесо-рельс”, износа рельсов и расстройства колеи в кривых.

Целью является установление влияния параметров рельсовой колеи на механизм и интенсивность износа рельсов и уширения рельсовой колеи в кривых и разработка мероприятий по уменьшению этих негативных явлений.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие задачи:

- изучение процесса и основных факторов, влияющих на интенсивность износа рельсов и колес подвижного состава в кривых;

- анализ влияния параметров рельсовой колеи и ходовых частей подвижного состава на интенсивность их износа на основе математических моделей взаимодействия в системе “колесо-рельс”;

- установление влияния параметров рельсовой колеи, осевых нагрузок, радиуса кривых на интенсивность износа колес и рельсов на основе натурных наблюдений, корреляционного и регрессионного анализа статистических данных; износ рельсы колесо подвижной

- разработка предложений по оптимизации параметров рельсовой колеи для снижения интенсивности износа рельсов;

- технико-экономическая оценка мероприятий по рациональному ведению рельсового хозяйства и обеспечению безопасности движения поездов в кривых.

Методы исследований включают анализ результатов ранее выполненных исследований и отчетных данных, теоретические исследования взаимодействия в системе “колесо-рельс” в кривых, эксплуатационные наблюдения за износом рельсов и колес подвижного состава со статистической обработкой их результатов, технико-экономического обоснования мер по продлению срока службы рельсов и обеспечения безопасности движения поездов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- выборе, обосновании и исследовании математической модели износа рельсов в кривых;

- исследовании основных факторов, в том числе параметров рельсовой колеи, влияющих на интенсивность износа с использованием данных вычислительного эксперимента по принятой математической модели;

- анализе и обобщении результатов многолетних экспериментальных исследований износа рельсов и уширения рельсовой колеи в кривых, расположенных в различных эксплуатационных условиях, со статистической обработкой результатов;

- получении и анализе эмпирических зависимостей интенсивности износа рельсов и уширения рельсовой колеи на основе корреляционного анализа полученных экспериментальных данных;

- в разработке и апробации частной методики технико-экономической оценки мероприятий по использованию рельсов различного эксплуатационного качества на наружной нити кривых.

Практическая значимость работы:

Основные научные положения и выводы диссертации направлены на решение важной прикладной задачи железнодорожного транспорта - увеличения срока службы рельсов и снижения затрат на регулировку ширины колеи в кривых за счет:

- обоснования рациональных параметров устройства и содержания рельсовой колеи и мер по их стабилизации;

- прогнозирования срока службы рельсов в кривых по предложенной математической модели, учитывающей конкретные условия эксплуатации;

- технико-экономического обоснования сфер применения рельсов различного эксплуатационного качества в кривых.

На защиту выносится:

- методический подход к оценке интенсивности износа рельсов и расстройства рельсовой колеи, основанный на теоретических и экспериментальных исследованиях, в том числе с применением видеосъемки процессов взаимодействия в системе “колесо-рельс”;

- качественные и количественные оценки влияния параметров рельсовой колеи на интенсивность износа рельсов в различных эксплуатационных условиях;

- эмпирические зависимости интенсивности износа рельсов и уширения рельсовой колеи в кривых в зависимости от основных эксплуатационных факторов;

- методика технико-экономической оценки мероприятий по рационализации ведения рельсового хозяйства в кривых;

- комплексная система мер по продлению срока службы рельсов и поддержанию параметров рельсовой колеи для обеспечения безопасности движения.

Личный вклад автора:

- обоснован выбор математических моделей для исследования взаимодействия в системе “колесо-рельс” при движении по кривым грузовых вагонов на тележках модели 18-100 и интенсивности износа рельсов в зависимости от параметров рельсовой колеи и ходовых частей подвижного состава;

- сделан анализ результатов вычислительного эксперимента по выбранной модели и даны качественные и количественные оценки влияния параметров рельсовой колеи на величину поперечных сил и интенсивность бокового износа рельсов в кривых;

- проведены эксплуатационные наблюдения и в результате обработки статистических данных получены эмпирические зависимости интенсивности износа рельсов в кривых;

- разработана методика технико-экономической оценки мероприятий по продлению срока службы рельсов и обеспечению безопасности движения поездов;

- даны предложения по совершенствованию системы ведения рельсового хозяйства в кривых.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются сопоставлением результатов исследований, полученных автором и другими исследователями, применением адекватного математического аппарата, обработкой большого объема статистических данных по износу рельсов в кривых и колес подвижного состава; удовлетворительной сходимостью результатов расчетов и натурных наблюдений за износом рельсов и колес подвижного состава.

Апробация работы.

Основные положения диссертации доложены и получили одобрение:

- на научно-технических советах службы пути Западно-Сибирской железной дороги;

- на заседаниях кафедры “Путь и путевое хозяйство” СГУПС в 2006-2009 годах

- на научно-технической конференции “Наука и молодежь 21 века” в СГУПСе в 2006 году;

- на конференции “Дни науки 2006” в СГУПСе в 2006 году.

Результаты проведенных исследований использованы при написании отчетов по темам: 19.5л 002Р ЦТех ОАО “РЖД” “Оптимизация рельсовой колеи” по договору от 14.08.2007 и 19.5.0013Р ЦТех ОАО “РЖД” “Эксплуатационные наблюдения на опытных и контрольных кривых в соответствии с программами и методиками”.

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, две из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения списка использованной литературы (113 наименований). Работа изложена на 175 страницах основного текста, содержит 31 таблицу, 56 рисунков.

Приложения на 9 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Явление износа еще в конце 19 века привлекало внимание ученых. Вопрос об удельном износе и сроках службы рельсов, как один из наиболее актуальных вопросов в железнодорожной науке, рассматривался Рельсовой комиссией и съездами инженеров путей сообщения.

В первой половине 20 столетия изучение явления износа рельсов и его причин выполнялось в основном методом систематического наблюдения за его развитием на участках пути с различными условиями эксплуатации.

Несколько позже, в 70 - е годы, к решению этой проблемы был привлечен теоретический анализ изнашивающего воздействия колес локомотивов и вагонов. Большой вклад в изучение процесса износа рельсов внесли Альбрехт В.Г., Андриевский С.М., Богданов В.М., Вериго М.Ф., Доронин В.И., Каратаев Б.В., Карпущенко Н.И., Котова И.А., Коган А.Я., Лысюк В.С., Мелентьев Л.П., Певзнер В.О., Сосновский Л.А., Шахунянц Г.М., Шиладжан А.А. Ядрошникова Г.Г.

Природа и причины износа рельсов.

Исследования указанных выше авторов износа рельсов и колес подвижного состава позволили определить природу и механизм износа.

Наиболее распространенным считается усталостное изнашивание, которое является следствием циклического воздействия на микровыступы трущихся поверхностей и рассматривается как кумулятивный процесс. Отделение частиц может также происходить в результате наклепа поверхностного слоя, вследствие чего он становится хрупким и разрушается.

Вторым по распространенности является абразивное изнашивание рельсов и колесных пар подвижного состава, при котором на трущихся поверхностях появляются абразивные частицы, разрушающие поверхность за счет резания и царапания.

Анализ результатов исследований многих авторов показал, что наиболее интенсивно рельсы изнашиваются в кривых радиусом 650 м и менее, особенно в кривых радиусом менее 400 м, протяженность которых составляет менее 2,5%, но они дают основной выход рельсов по износу (дефекты 43,44).

ПАРАМЕТРЫ УСТРОЙСТВА РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИСТЕМЕ “КОЛЕСО-РЕЛЬС”.

Исследование вписывания экипажей в кривые

Геометрические расчеты вписывания в кривые обращающихся по Российским железным дорогам экипажей, выполненных автором показал, что наиболее массовые экипажи - пассажирские и грузовые вагоны свободно вписываются во все кривые как на перегонах, так и на станциях.

Грузовые электровозы постоянного и переменного тока при ширине колеи 1520 мм свободно вписываются в кривые радиусом 370 м и более. При ширине колеи 1525 и 1530 мм эти электровозы свободно вписываются в кривые радиусом 300 и 200 м соответственно.

Общие принципы составления и решения уравнений вписывания экипажей в кривые и определения поперечных сил в диссертации основаны на работах проф. А.Я. Когана.

При построении математической модели движения экипажа принято считать кузов экипажа, обрессоренные и необрессоренные части тележек абсолютно твердыми телами и учитываем деформируемость только в подвешивании экипажа.

Принято, что на колесную пару действуют поперечные силы трения, пара продольных сил трения, направляющая сила, вызванная набеганием реборды колеса на рельс, и проекции весовых составляющих на ось, проходящую через точки контакта колес с рельсами.

Принято считать средним то положение колесной пары в колее, в котором она касается обеих рельсовых нитей равным кругами катания радиуса (при условии равенства диаметров обоих колес). Положение колесной пары относительно неподвижной системы координат в момент времени определяется продольной координатой ее центра масс , поперечным смещением центра масс относительно оси абсцисс , углом поворота вокруг оси аппликат. Колесная пара может отклоняться от линии рельсовой колеи на величину связанную с соотношением:

где - расстояние от центра масс кузова до -ой колесной пары тележки .

Возвращающая нелинейная сила появляющаяся при набегании гребня колеса на боковую грань рельса (направляющая сила) зависит от смещения колесной пары относительно среднего положения рельсовой колеи .

Если под влиянием поперечной силы колесная пара отклоняется от направления качения, определяемого ее положением в плане (углом ), то под влиянием момента изменяется кривизна траектории качения. При отсутствии момента в связи с конусностью бандажей колесная пара при отклонении от среднего положения в колее на величину стремится двигаться по траектории с кривизной

где - уклон образующей бандажа.

Основываясь на этих положениях, получена система уравнений, описывающих движения экипажа в круговой кривой со средним радиусом и средним возвышением наружного рельса . В данном случае функция , представляющая собой отклонение средней линии рельсовой колеи от оси , может быть записана в виде

где - случайное отклонение средней линии рельсовой колеи от проектной оси пути в кривой радиуса .

Подставляя величины и в первые уравнений системы, представленной в диссертации, получим положение колесной пары в кривой

где - ошибка решения.

- масса колесной пары;

- жесткость поперечной связи колесной пары с тележкой;

- поперечное перемещение центра масс - ой колесной пары - ой тележки относительно продольной оси ;

- угол между продольной осью пути и осью - ой тележки;

- координата по оси центра масс ;

- поперечное перемещение центра масс -тележки относительно продольной оси .

В выражениях (4) угловыми скобками отмечены средние значения соответствующих координат, определяемые системой трансцендентных уравнений вписывания экипажа.

Система уравнений вписывания экипажа содержит семь линейных уравнений, поэтому для ее решения целесообразно использовать комбинированный метод, основанный на сочетании пробных установок экипажа в кривой и точного решения линейной подсистемы уравнений вписывания.

Расстояния полюсов поворота тележек от центров их тяжести могут быть определены из выражения

Расчеты по разработанной методике показали, что направляющие силы и полюсные расстояния имеют существенную зависимость от непогашенных ускорений и некоторую зависимость от радиуса кривых. Наиболее тесную взаимосвязь от радиуса кривой имеет угол набегания гребня колеса на боковую грань рельса.

На внутреннюю рельсовую нить при свободном вписывании тележек модели 18-100 в кривых передается только сила трения от поперечного скольжения колес по рельсам.

Расчеты вписывания в кривые грузовых вагонов с учетом продольных сил в поезде произведены с использованием методов, разработанных проф. С.В. Вершинским и О.П. Ершковым.

Осреднение величин позволило получить обобщенные зависимости направляющих и боковых сил для грузового вагона на тележках модели 18-100 от расчетных нагрузок колес , непогашенных ускорений и продольных сил, возникающих в поезде

Здесь ; .

Полюсное расстояние определяется зависимостью

Экспериментальные исследования взаимодействия в системе “колесо-рельс”.

В результате экспериментальных исследований на опытных участках Западно-Сибирской железной дороги, с использованием видеокамер, выполненных под руководством И.А. Котовой, установлено, что при движении вагонных тележек по кривым радиусом менее 650 м реализуется свободное вписывание с обязательным контактом между гребнем первого по ходу колеса и наружным рельсом.

В кривых радиусом 650 м и более отмечено виляние тележки с отрывом гребня колеса, набегающей на наружный рельс колесной пары от боковой грани наружного рельса.

Между гребнями колес и внутренним рельсом при ширине колеи в пределах 1520...1540 мм всегда фиксируются зазоры, величина которых зависит от ширины колеи и ширины колесной пары (колесной колеи). Следов касания гребнями внутренних нитей не отмечено.

Углы набегания тележек вагонов на наружный рельс достигают 0,35-1,0°. Величина их определяется радиусом кривой, непогашенным поперечным ускорением, силами трения, возникающими в подпятнике тележки и между поверхностями катания колес и рельсов при вписывании тележки в кривую, коничностью колес. Влияние ширины колеи на этот процесс не отмечено.

Боковой износ наружного рельса сопровождается образованием полки с углом наклона 30-32°, по которой начинают катиться локомотивные и вагонные колеса с отрывом поверхности катания колес от рельса. Расчеты показывают, что для удержания колес с вертикальной нагрузкой 115 кН на полке с углом наклона 31є достаточно боковых сил величиной 35-55 кН.

Оценка интенсивности бокового износа рельсов с использованием математической модели.

Для оценки влияния параметров рельсовой колеи и ходовых частей подвижного состава на износ рельсов важно иметь обобщенный показатель, который учитывал бы воздействие основных факторов. Для этого часто используют показатель, называемый фактором износа рельсов . В этом случае интенсивность износа боковой грани рельса определяется выражением

где - нормальное давление в точке контакта гребня набегающего колеса и рельса; - коэффициент трения; - относительное скольжение гребня колеса по рельсу в точке контакта; - площадь контакта гребня колеса и рельса.

Нормальное давление в точке контакта гребня колеса с рельсом с учетом силы трения , возникающей в контакте, составит

где - направляющее усилие, действующее на первую ось тележки;

- угол наклона рабочей поверхности гребня к горизонту.

Направляющие усилия и полюсные расстояния принимались в соответствии с (7-9)

Относительное скольжение колеса по рельсу определяется по формуле, полученной Н.И. Карпущенко

где - расстояние между осями рельсов; - радиусы наружного и внутреннего колес рассматриваемой колесной пары; - глубина касания гребня колеса.

Выражение для определения площади пятна контакта колеса с боковой гранью рельса получено в лабораторных условиях с натурными образцами колес и рельсов, а также графоаналитическим методом Г.Г. Ядрошниковой. Здесь представляет собой угол набегания первого колеса тележки на боковую грань рельса.

Расчет интенсивности бокового износа рельсов по приведенной методике в зависимости от изменения параметров рельсовой колеи и ходовых частей грузовых вагонов на тележках модели 18 - 100 показал, что по мере роста непогашенного ускорения и скорости движения поездов интенсивность износа возрастает, а по мере увеличения возвышения наружного рельса вплоть до появления б_н=-0,3м/с² - падает. Однако, влияние параметров рельсовой колеи на интенсивность износа невелико. Более существенных результатов по снижению интенсивности бокового износа можно добиться за счет изменения параметров подвижного состава. Так, при увеличении осевой нагрузки вагонов с 160 до 220 кН, интенсивность бокового износа увеличивается на 28%. При увеличении угла наклона гребней колес с 60є до 70є в кривых разных радиусов интенсивность износа увеличивается на 23 - 32 %.

При увеличении момента трения в опорных устройствах кузова и тележки вагона с 15 кН*м до 60 кН*м интенсивность износа рельсов и гребней колес в кривых разных радиусов возрастает на 40 - 45%.

Экспериментальное исследование интенсивности износа рельсов и изменения ширины колеи в кривых.

Для оценки влияния существующих параметров колеи на интенсивность расстройств пути в горизонтальной плоскости и бокового износа рельсов было выбрано 7 кривых, у которых к началу наблюдений ширина колеи отличалась примерно на 10 мм, а другие параметры (радиус, возвышение наружного рельса, грузонапряженность, осевые нагрузки) были примерно одинаковыми. Радиус опытных кривых колебался в пределах 296 - 598 м. Опытные кривые находились на Среднесибирской магистрали (участок Алтайская-Артышта), на участке Инская-Сокур и наТранссибирской магистрали, перегон Ояш-Чебула (таблица 1).

Таблица 1

Интенсивность изменения ширины колеи и бокового износа рельсов на опытных кривых

Номер кривой	Радиус кривой, м	Средняя грузонапряженность, млн.т.км.бр./км в год	Возвышение наружного рельса, мм	Среднее значение непогашенного ускорения, м/с2	Средняя интенсивность уширения колеи мм/млн. т	Средняя интенсивность бокового износа, мм/млн. т
1	349	60	87	0	0,15	0,16
2	397	60	73	0	0,18	0,18
3	392	60	85	0	0,13	0,14
4	598	73	84	-0,19	0,16	0,11
5	576	73	80	-0,16	0,17	0,13
6	296	110	88	0	0,22	0,23
7	304	110	86	0,27	0,37	0,34

В результате обработки данных наблюдений за 3 года установлено, что уширение рельсовой колеи и интенсивность бокового износа не зависят от ширины колеи в том числе от нормативной колеи, принятой при проведении капитального ремонта или реконструкции верхнего строения пути (таблица 1).

Параметры ширины колеи и бокового износа рельсов из-за существенных отклонений радиуса и возвышения наружного рельса от проектных значений на графиках носят пилообразный характер при размахе колебаний в пределах 1522 - 1546 мм (рисунок 1). Среднеквадратические отклонения ширины колеи находятся в пределах 1,5 - 3,8 мм, а бокового износа рельсов 0,3 - 2,3 мм.

Рисунок 1 Результаты наблюдений за боковым износом рельсов наружной нити в кривой радиусом 296 м, h = 88 мм, Г = 110 млн. т. Бр

Доля бокового износа рельсов в уширении колеи составляет 60 - 70%.

Смена рельсов наружной нити производится обычно при достижении максимальной величины бокового износа в 15 мм. При этом средняя величина бокового износа составляет 12-13 мм, средняя ширина колеи составляет 1536-1538 мм, а максимальная 1545 мм.

Однако, на опытной кривой №1 радиусом 392 м на бесстыковом пути и железобетонных шпалах, обеспечивающих нормативную ширину колеи 1530 мм, через 11 месяцев после пропуска 51 млн. т бр. пришлось заменять рельсы наружной нити из-за достижения средней величины ширины колеи 1543 мм при максимальной величине 1545 мм. При этом регулировка ширины колеи на железобетонных шпалах требовали больших затратах труда при низкой эффективности.

Интенсивность бокового износа рельсов, как и уширения колеи определяются прежде всего радиусом кривых. Так в кривых радиусом 300 м, интенсивность бокового износа в целом в 1,5 раза выше, чем в кривых радиусом 400 м. На участке с высокой осевой нагрузкой боковой износ рельсов и уширение колеи происходят более интенсивно. Увеличение возвышения наружного рельса при одинаковых радиусах кривых дает положительный эффект при условии, что величина непогашенного ускорения не достигает в среднем минус 0,3 м/с².

Влияния ширины колеи на интенсивность бокового износа не установлено. Износ боковых граней внутренних рельсов на всех семи кривых при зафиксированной ширине колеи в пределах 1522 - 1544 мм отсутствовал.

В ходе обследования кривых был так же выявлен факт недостаточной эффективности лубрикации рельсов. В условиях сухого трения гребень первого колеса тележки удерживается на боковой поверхности изношенного наружного рельса, при этом происходит отрыв колеса от поверхности катания, что снижает безопасность движения.

Анализ значений непогашенных центробежных ускорений, возникающих при движении с измеренными в ходе исследования скоростями поездов, позволил выявить недостаточность возвышения наружного рельса в некоторых кривых. Во многих случаях имело место превышение рекомендуемого значения на 0,3 м/с².

Специальные эксперименты по увеличению возвышения наружного рельса, рассчитанного по средневзвешенной скорости, на 20-30 % приводит к снижению бокового износа рельсов примерно на 15-20%.

Регрессионный анализ процессов нарастания бокового износа рельсов и уширения колеи показал, что существует достаточно тесная корреляционная связь между боковым износом, радиусом и непогашенным поперечным ускорением по длине кривой (таблица 2).

Корреляционные зависимости между боковым износом и шириной колеи по длине кривой менее стабильны из-за периодических регулировок ширины колеи.

Таблица 2

Параметры опытных участков в кривых и корреляционные зависимости между ними и боковым износом рельсов

№ кривой	Радиус, м	Уровень, мм	Ширина колеи, мм	Непогашенное ускорение, м/с2	Боковой износ, мм
1	337	67,52	0,407	99	10,68	0,246	1540	2,45	0,242	0,52	0,001	0,373	10,1	1,49	1
2	393	94,45	0,383	89	7,46	0,265	1535	3,27	0,535	0,44	0,001	0,336	9	1,18	1
3	627	924,4	0,455	79	8,19	0,235	1535	3,93	0,555	0,12	0,001	0,335	6,6	2,95	1
4	552	844,3	0,48	85	6,86	0,3	1535	6,3	0,135	0,16	0,001	0,552	7	4,5	1

В результате обработки статистических данных получены приближенные зависимости величин бокового износа и ширины рельсовой колеи в функции наработанного тоннажа при учете радиуса кривой и средней осевой нагрузки подвижного состава.

Всвязи с тем, что стандартными условиями испытаний элементов верхнего строения пути в трудных условиях считаются кривые и осевые нагрузки для коэффициентов, учитывающих влияние радиуса кривой и осевых нагрузок приняты выражения:

Выполненный регрессионный анализ процессов нарастания износа рельсов и ширины рельсовой колеи на опытных участках позволил получить эмпирические параметры, приведенные в таблице 2.

Формулы (14) и (15) представляют собой выражения для определения математического ожидания случайных величин бокового износа рельсов и ширины колеи в функции наработанного тоннажа при учете радиуса кривизны пути и осевых нагрузок подвижного состава.

Таблица 2

Эмпирические параметры для прогнозирования бокового износа рельсов и уширения колеи

Прогнозируемый процесс	Вид эмпирической зависимости	Эмпирические параметры
Боковой износ рельсов		0	1,1	0,17	0,7
Ширина рельсовой колеи		1525	0,9	0,16	0,7

Расчет ресурса и вероятности безотказной работы рельсов по разработанной модели формирования отказа из-за предельного бокового износа с использованием статистических параметров интенсивности износа в различных эксплуатационных условиях позволил с достаточной точностью прогнозировать срок службы рельсов в кривых.

Процесс изменения параметра со скоростью также является случайным и зависит от изменения повреждений отдельных элементов изделия (их износа со скоростью ).

Отказ возникнет при достижении параметром своего предельно-допустимого значения , что произойдет через некоторый промежуток времени работы рельсов.

Для изделий с высокими требованиями к безотказности обычно задается и необходимо подсчитать ресурс , обеспечивающий данный уровень безотказности. В этом случае искомым является значение , которое входит в аргумент функции Лапласа.

где - нормированная функция Лапласа,; при , при .

Порядок расчета заключается в том, что для заданного значения по таблицам для квантилей нормального распределения находим соответствующее значение и находим ресурс . Для частного случая при квантиль :

Выполненные в диссертации расчеты прогнозирования срока службы рельсов по разработанной методике показали хорошую сходимость с результатами наблюдений.

Исследование характера износа локомотивных и вагонных колес

Наблюдения за изменением профиля вагонных депо Инская и электровозных колес депо Тайга показали, что износ гребней прогрессирует значительно интенсивнее проката и является основным фактором лимитирующим срок службы колесных пар между обточками бандажей. Угол наклона гребня у вагонных колес в процессе эксплуатации увеличивается на 11,5 градусов, а у локомотивных - на 5,5.

Износ поверхности катания вагонных колес сопровождается увеличением коничности. Средняя величина коничности составляет 1/13 при разбросе этих значений от 1/9 до 1/17. Большой разброс коничности поверхности катания колес и нарушение кривизны пути приводит к большому разбросу углов набегания колес на наружный рельс, что способствует неравномерному боковому износу по длине рельсов.

Средняя твердость по поверхности катания вагонных колес составила 344 HB, а по гребню 321HB. По поверхности катания и боковой грани рельса она составила соответственно 331 и 373 HB, что явно недостаточно.

Для снижения интенсивности бокового износа рельсов и гребней колес необходимо существенно повысить их твердость по рекомендациям проф. Е.А. Шура до 400-450 HB и более рационально применять смазку.

Оценка технико-экономической эффективности конструкций верхнего строения пути в кривых малого и среднего радиусов

Частые смены рельсов внутренней нити кривых малого и среднего радиусов требуют технико-экономического обоснования выбора конструкции верхнего строения пути для этих условий.

Расчёты эффективности выполняются с учётом разновременности затрат. Операция соизмерения их разновременности осуществляется приведением затрат и результатов к размерности расчётного (принятого за базу) временного шага . Операция носит название «дисконтирование» и осуществляется посредством коэффициента приведения .

где - любой временной шаг, затраты которого приводятся к расчётному периоду ;

- норматив приведения разновременных затрат и результатов (норма дисконта).

Показателем экономической эффективности капитальных вложений принимается минимум приведенных затрат:

где - капитальные расходы по i-му варианту, руб.;

-- эксплуатационные расходы по i-му варианту, руб.

Приняты к рассмотрению три варианта конструкции верхнего строения пути в таблице 4:

Таблица 4

Сравниваемые варианты конструкции пути

1 вариант	2 вариант	3 вариант
Бесстыковой путь
В прямых: рельсы Р65, новые, термоупрочненные, категории Т1, сваренные в плети длиной в перегон
В кривых:
Плети, сваренные из рельсов Р65, старогодных, репрофилированных I группы годности	Плети, сваренные из рельсов Р65, новых, термоупрочненных, категории Т1	Плети, сваренные из рельсов Р65 К, новых
Скрепления КБ-65
Шпалы железобетонные, новые 1840 шт/км (в кривых - 2000 шт/км)
Балласт щебеночный с толщиной слоя 40 см

Сравнение вариантов производится на примере Инской дистанции пути Западно-Сибирской железной дороги, перегон Издревая-Жеребцово, 1 путь. Участок двухпутный, электрифицированный.

Грузонапряженность участка 79,1 млн т•км брутто/км в год. Протяженность участка - 15,78 км, количество кривых - 23.

Среднегодовые эксплуатационные расходы определяются по формуле

где -- расходы на текущее содержание пути и периодические расходы на ремонты.

Расчет эффективности затрат на устройство и эксплуатацию верхнего строения пути в кривых выполнен в соответствии с формулой (19).

При сравнении приведенных расходов наиболее экономически выгодным оказывается первый вариант, где в кривых используются старогодные рельсы.

Заключение

1. Комплекс теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в соответствии с поставленной целью и задачами, позволил оценить влияние различных факторов (прежде всего параметров рельсовой колеи) на интенсивность бокового износа рельсов и уширение рельсовой колеи в кривых.

Анализ результатов расчетов, выполненных в диссертации, вписывания в кривые обращающихся по Российским железным дорогам экипажей показал, что наиболее массовые экипажи - пассажирские, грузовые вагоны и локомотивы свободно вписываются практически во все кривые как на перегонах, так и на станциях при ширине колеи, соответствующей существующим нормам.

Использование в диссертационной работе современных методов исследований динамического вписывания жестких баз экипажей в кривые малого и среднего радиусов позволило получить обобщенные зависимости величин направляющих, боковых и рамных сил от непогашенных поперечных ускорений, осевых нагрузок подвижного состава, радиуса кривых и продольных сил в поезде необходимые для оценки износа рельсов и обеспечения устойчивости колес на рельсах.

Расчет интенсивности бокового износа рельсов по методике СГУПСа в зависимости от изменения параметров рельсовой колеи и ходовых частей грузовых вагонов на тележках модели 18-100 показал, что по мере роста кривизны пути, непогашенного поперечного ускорения и осевых нагрузок интенсивность износа возрастает, а по мере увеличения возвышения наружного рельса при нулевой величине непогашенного ускорения - падает. Более существенных результатов по снижению интенсивности бокового износа можно добиться за счет изменения параметров подвижного состава, прежде всего момента трения в опорном устройстве кузова.

2. В результате экспериментальных исследований на опытных участках Западно-Сибирской железной дороги с использованием видеокамер установлено, что при движении вагонных тележек по кривым радиусом менее 650 м реализуется свободное вписывание с обязательным контактом между гребнем первого по ходу колеса и наружным рельсом.

Между гребнями колес и внутренним рельсом при ширине колеи в пределах 1520...1540 мм всегда фиксируются зазоры, величина которых зависит от ширины колеи и ширины колесной пары (колесной колеи). Следов касания гребнями внутренних нитей не отмечено.

В кривых радиусом 650 м и более отмечено виляние первой, набегающей на наружный рельс колесной пары с отрывом гребня колеса от боковой грани наружного рельса.

3. Интенсивность бокового износа рельсов и уширения колеи определяются прежде всего радиусом кривых и осевой нагрузкой подвижного состава. Увеличение возвышения наружного рельса на 20-30% при одинаковых радиусах кривых дает положительный эффект снижения интенсивности износа примерно на 15-20%. На участках с изношенными шпалами и скреплениями расстройства колеи нарастают более интенсивно.

Влияния ширины колеи на интенсивность бокового износа рельсов и уширения колеи не установлено. Износ боковых граней внутренних рельсов на всех кривых, взятых под наблюдение при зафиксированной ширине колеи в пределах 1522 - 1544 мм отсутствовал. Нет даже следов касания гребнями колес боковых граней внутренних рельсов.

Износ рельсов и уширение рельсовой колеи происходят неравномерно, носят пилообразный характер. Доля бокового износа рельсов в уширении рельсовой колеи колеблется в пределах 60-70%.

В связи с этим большое значение приобретает качество рихтовки выправки пути по уровню в кривых и лубрикации рельсов.

5. Регрессионный анализ процессов нарастания бокового износа рельсов и уширения колеи показал, что существует достаточно тесная корреляционная связь между боковым износом, радиусом и непогашенным поперечным ускорением по длине кривой.

Корреляционные зависимости между боковым износом и шириной колеи по длине кривой менее стабильны из-за периодических регулировок ширины колеи.

В результате обработки статистических данных получены приближенные зависимости величин бокового износа и ширины рельсовой колеи в функции наработанного тоннажа при учете радиуса кривой и средней осевой нагрузки подвижного состава.

Расчет ресурса и вероятности безотказной работы рельсов по разработанной модели формирования отказа из-за предельного бокового износа с использованием статистических параметров интенсивности износа в различных эксплуатационных условиях позволил с достаточной точностью прогнозировать срок службы рельсов в кривых.

6. Наблюдения за изменением профиля вагонных и электровозных колес показали, угол наклона гребня у вагонных и локомотивных колес также, как и боковых граней наружных рельсов составляет примерно 71 градус.

Взаимная приработка поперечных профилей вагонных, локомотивных колес и рельсов происходит довольно быстро независимо от первоначальных профилей.

Износ поверхности катания вагонных колес сопровождается увеличением коничности. Средняя величина коничности составляет 1/13 при значительном разбросе этих значений.

Большой разброс коничности поверхности катания и радиусов одной колесной пары приводит к большому разбросу углов набегания колес на наружный рельс, что в прямых и кривых большого радиуса способствует вилянию тележек.

Для снижения интенсивности бокового износа рельсов и гребней колес необходимо повысить их твердость до 420-450 HB и более рационально применять смазку.

7. Технико-экономическое сравнение вариантов конструкции пути с термоупрочненными рельсами Р65 категории Т1, рельсами повышенной твердости (заэвтектоидными) Р65К и старогодными репрофилированными рельсами Р65 по приведенным расходам на конец межремонтного цикла показало, что наиболее экономически выгодным оказывается вариант со старогодными рельсами из-за их низкой стоимости. Применение специальных рельсов Р65К оказалось недостаточно эффективным из-за повышенной на 13% по сравнению с типовыми рельсами Т1 стоимости и незначительного увеличения срока службы по износу.

Список публикаций по теме диссертации

1. Карпущенко Н.И., Козлов А.П., Котова И.А., Антерейкин Е.С. Параметры колеи и износ рельсов в кривых // Путь и путевое хозяйство. 2007. № 11. С. 7-9.

2. Карпущенко Н.И., Котова И.А., Ликратов Ю.Н., Суровин П.Г., Антерейкин Е.С. Взаимодействие колес и рельсов в кривых участках // Путь и путевое хозяйство. 2008. № 6. С. 2-5.

3. Антерейкин Е.С. Влияние параметров рельсовой колеи на интенсивность бокового износа рельсов. // Наука и молодежь 21 века: Материалы 5 научно-технической конференции - СГУПС, - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2007. с. 15-16.

4. Карпущенко Н.И., Никитин И.В., Антерейкин Е.С. Допускаемые скорости движения поездов по стрелочным переводам, уложенным в кривых участках пути // Совершенствование эксплуатационной работы железных дорог: Сб. научных статей / Под ред. Дмитренко А.В., Климова А.А.. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2007. 309. 318 с.

5. Антерейкин Е.С., Абрамовский А.М. Основные причины износа рельсов и колес подвижного состава. // Дни науки - 2006: Тезисы докладов студенческой конференции СГУПСа, - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2006. с. 18 - 19.

6. Антерейкин Е.С. Влияние возвышения наружного рельса на интенсивность бокового износа рельсов.// Вестник СГУПСа. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2006. Вып. 14, с. 222 - 225.

7. Котова И.А., Ликратов Ю.Н., Антерейкин Е.С. Исследование характера износа локомотивных и вагонных колес.// Вестник СГУПСа. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2006. Вып. 14, с. 131 - 139.

8. Гамзов П.С., Антерейкин Е.С. Анализ неисправностей по данным проходов путеизмерительных вагонов в зависимости от типа верхнего строения пути.// Вестник СГУПСа. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2006. Вып. 14, с. 208 - 210.

9. Антерейкин Е.С. Оценка технико-экономической эффективности конструкций верхнего строения пути в кривых малого и среднего радиусов. //Совершенствование работы железнодорожного транспорта: Сборник научных трудов. СГУПС, Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2009. с. 140 - 154.

Размещено на Allbest.ru

...