Размещено на http://www.allbest.ru/

Взаимодействие пути и подвижного состава

Романова О.В., Боботкова В.Н.

Курганский институт железнодорожного транспорта филиал Уральского государственного университета путей сообщения. г. Курган



Аннотация

В данной статье рассмотрены механические процессы, происходящие в подвижном составе и в железнодорожном пути при воздействии их друг на друга. Были рассмотрены отдельные части подвижного состава и требования безопасности к ним. Также были выявлены основные причины возникновения неисправностей отдельных частей подвижного состава, ведущие к нарушению безопасности на железной дороге. Показано плодотворное сочетание теоретических и экспериментальных исследований, направленных на решение актуальных задач повышения безопасности движения поездов и освоения возрастающих объемов перевозок.

безопасность поезд железный дорога



Abstract

In this article, mechanical processes occurring in the rolling stock and in the railway track under the influence of each other are considered. Individual parts of the rolling stock and safety requirements for them were considered. Also, the main causes of faults in some parts of rolling stock, leading to a violation of safety on the railway, were identified. A fruitful combination of theoretical and experimental studies aimed at solving urgent problems of improving the safety of train traffic and absorbing increasing volumes of transportation is shown.



Взаимодействие пути и подвижного состава -- предмет изучения специальной научной дисциплины, исследующей механические процессы, происходящие в подвижном составе и в железнодорожном пути при воздействии их друг на друга, при этом подвижной состав и железнодорожный путь рассматриваются как элементы единой механической системы («колесо-рельс»). Исследование данного взаимодействия является основополагающим физическим процессом при движении вагонов, локомотивов и поездов по железным дорогам, так как во многом определяет такие важнейшие показатели, как ширина колеи, нагрузка на ось, статическая нагрузка вагонов, масса и скорость движения составов, а также безопасность движения поездов.

От колес подвижного состава на путь передается сложное силовое воздействие, которое можно разложить на вертикальные и горизонтальные (поперечные и продольные) составляющие: вертикальное давление, вызывающее осадку пути и изгиб рельсов; боковое давление, стремящееся сдвинуть путь в сторону, и продольные силы - причина угона (продольного смещения) рельсошпальной решетки.

Вертикальное давление на рельс - это нормальные (перпендикулярные к поверхности) силы, которые через колеса подвижного состава передаются на рельсы.

Нагрузка, передаваемая подвижным составом на рельсы при движении, называется динамической. Динамическое воздействие подвижного состава на путь определяется сложными колебательными процессами, возникающими при движении. Они обусловлены наличием различных неровностей на поверхностях соприкасания колес с рельсами, упругой деформируемостью пути, рессор и других элементов ходовых частей, особым характером движения жестко соединенных между собой осей подвижного состава в рельсовой колее при изменяющейся по протяжению пути траектории движения подвижного состава.

В общем случае взаимодействие пути и подвижного состава определяется особенностями конструкций ходовых частей подвижного состава и рельсовой колеи, а также качеством технического содержания локомотивов, вагонов и пути.

Каждая единица подвижного состава состоит из неподрессоренной и подрессоренной частей. К неподрессоренной части относят массу колесных пар, букс и примерно 2/3 массы рессор. Все остальное составляет подрессоренную часть. При движении подрессоренные и неподрессоренные части локомотивов и вагонов совершают колебательные движения относительно пути и друг друга и это вызывает изменения нагрузок на рельсы. При движении поезда на рельсы действуют и переменные горизонтальные поперечные силы: рамное давление (силы, действующие на кузов и передаваемые через раму на колесные пары), а также боковое давление, вызванное поворотом состава в кривых (вписывание подвижного состава в кривые). Рельсы воспринимают также и горизонтальные продольные силы (силы угона, торможения и продольные усилия от действия температуры).

При конструировании верхнего строения пути и ходовых частей подвижного состава стремятся достигнуть возможно более благоприятного их взаимодействия.

Рельсовой колеей называются две геометрические линии, проходящие вдоль пути по внутренним граням головок рельсов на уровне их контакта с гребнями колес.

Основным требованием при проектировании и устройстве рельсовой колеи является обеспечение безопасности движения поездов с установленными скоростями при минимуме сил взаимодействия рельсового пути и подвижного состава.

В кривых участках железнодорожного пути рельсовая колея устраивается с учетом следующих особенностей:

1. При движении железнодорожного экипажа по кривой появляется сила инерции, которую обычно называют центробежной силой. Эта сила создает дополнительное давление на наружную рельсовую нить и вызывает крен кузова на рессорах, в связи с этим рельсы быстрее изнашиваются, возникают отбои рельсовых нитей, увеличиваются напряжения в элементах верхнего строения пути, пассажиры испытывают неприятные ощущения. С целью нейтрализации вредного влияния центробежной силы в кривых приподнимают наружную рельсовую нить над внутренней, т. е. устраивают возвышение наружной рельсовой нити.

2. При переходе экипажа из прямой непосредственно в круговую кривую внезапно появляется центробежная сила. Для исключения динамического эффекта - внезапного воздействия экипажа на путь, вызывающего боковой толчок при входе экипажа в кривую и выходе их нее, между круговой кривой и прямой устраивают особую кривую - переходную.

3. Для облегчения вписывания (прохода) тележек экипажей в кривые участки пути (R < 350 м) устраивают уширение рельсовой колеи.

4. Для соблюдения требований габарита приближения строений (С) в кривых двухпутных линий увеличивают междупутные расстояния.

5. С целью обеспечения расположения рельсовых стыков в одном створе (по «наугольнику») укладывают по внутренней нити укороченные рельсы.

Параметры рельсовой колеи как в прямых, так и в кривых участках пути должны обеспечивать безопасное движение экипажей и минимизировать их силовое воздействие на путь. Поэтому размеры и конструктивное оформление рельсовой колеи определяются во взаимосвязи ее с ходовымичастями подвижного состава, т. е. размерами и конструктивными особенностями ходовых часте экипажей,в частности, колесных пар.

Любой экипаж (локомотив, вагон) состоит из неподрессоренной части и надрессорного строения. К неподрессоренной относятся ходовые части подвижного состава, т.е. тележки.

Они предназначены для обеспечения безопасного движения экипажей по рельсовому пути с заданной скоростью, плавного хода и наименьшего сопротивления движению.

Основным типом вагонных колес являются цельнокатаные, а локомотивных - бандажные.

Бандажные (составные) колеса состоят из колесного центра, бандажа и предохранительного кольца. При достижении предельного износа или появлении других повреждений бандаж можно заменить без смены колесного центра.

Колеса опираются на головку рельса небольшой площадкой, которая имеет форму, напоминающую эллипс. При прочих равных условиях площадь контакта зависит от диаметра колеса. Чем меньше диаметр, тем меньше контактный эллипс, тем большие напряжения возникают в металле головки рельса и соответственно увеличивается износ.

Колеса имеют реборды (гребни). Назначение реборд - обеспечение направления и предохранение от схода колес с рельсов.

Вертикальные силы, передаваемые колесами экипажа рельсами при стоянке, называются статической нагрузкой.

К основным силам относят:

• весовую часть экипажа (кН/ось, кН/колесо);

• силы, передаваемые рессорным подвешиванием колесам при колебании обрессоренных масс;

• силы инерции необрессоренных масс, вызванные их колебаниями на упругом пути из-за наличия неровностей пути и колес;

• вертикальные силы, возникающие в связи с возвышением наружного рельса в кривых и действием на колесную пару горизонтальных поперечных сил.

Вертикальные силы инерции необрессоренных масс в большинстве случаев являются наибольшей составляющей динамического воздействия на рельс, а поэтому они в основном и определяют вертикальные динамические силы.

Причинами их возникновения могут быть колебания колес, вызванные неровностями пути и колес, а также извилистым движением колесных пар.

Горизонтальные поперечные силы, направленные перпендикулярно оси пути, возникают в уровне поверхности катания колеса по рельсу и между гребнем колес и боковой поверхностью головок рельсов. Устойчивость и прочность рельса зависит от полной поперечной силы (боковой), передаваемой ему колесом. Равнодействующая боковых сил от одной колесной пары называется рамной силой.

В кривых, кроме рамных сил, возникают центробежные силы, поперечные составляющие силы веса и тяги.

Горизонтальные продольные силы возникают вследствие угона пути, торможения и изменений температуры рельсов.

Динамическая нагрузка от колеса передается на головку рельса по небольшой площадке.

Динамические силы воздействуют на путь через колеса подвижного состава и рельс.

Конструкция экипажной части различных типов подвижного состава должна находиться в исправном состоянии, соответствующем требованиям ПТЭ и техническим нормам.

Сегодня около половины изъятых из эксплуатации колес грузовых вагонов обтачивается из-за дефектов на поверхности катания - выщербин и ползунов.

Причиной изъятия из пути значительной части рельсов (от 20 до 40 процентов всех изъятых) служат дефекты контактно-усталостного характера.

Для их недопущения необходимо осуществить целый комплекс мер: повысить чистоту рельсовой стали, строже соблюдать технологии изготовления рельсов, оптимизировать их неразрушающий контроль, управлять интенсивностью износа рельсов и колес.

Отдельная задача - поддержание высокого коэффициента трения между поверхностями катания бандажа локомотива и рельса.

На наших железных дорогах в качестве активатора трения широко используется песок. При всей доступности и низкой стоимости он имеет ряд известных минусов (засоряет балласт, абразивно воздействует на колеса и рельсы и т.д.). Специалисты из РГУПС начали разработку отечественного активатора трения без кварцевого песка.

Условия эксплуатации грузовых вагонов за последние два десятилетия ужесточились (более жесткий путь, переход на повышенные до 23,5 тонн нагрузки на ось, старение парка, острый дефицит запасных частей тележек, снижение качества плановых видов ремонта).

Рост грузонапряженности на основных магистралях и необходимость снижения эксплуатационных расходов остро ставят вопрос повышении массы грузовых поездов. Стремление поднять массу поезда до предельных (по силе тяги и по сцеплению) значений порождает ряд новых проблем по части взаимодействия колеса и рельса. Среди них - усиленный износ поверхности катания колес и рельсов, угон пути, засорение балластного слоя песком, возникновение дополнительного воздействия состава на путь, вызываемого изменением продольных сил в поезде.

В настоящее время приоритетным представляется путь ослабления напряженного состояния во взаимодействии колеса и рельса. Деятельность в этом направлении координирует комитет по управлению и обеспечению безопасности эксплуатационного процесса Ассоциации американских железных дорог (AAR). Главной целью ассоциации является обеспечение защиты интересов железнодорожного транспорта и его развитие

Важной ролью AAR является стандартизация различных параметров технических средств, обеспечивающих безопасность движения поездов.

Одним из результатов стала программа стратегических исследований AAR по снижению сил и напряжений, возникающих в инфраструктуре и подвижном составе при повышении осевых нагрузок.

Рассматриваются четыре основных аспекта достижения поставленной цели:

• снижение уровня поперечных сил;

• снижение статических и динамических (в том числе ударных) вертикальных нагрузок;

• снижение контактных напряжений в колесах и рельсах;

• улучшение динамических характеристик подвижного состава.

Использование имеющихся в распоряжении железных дорог технических новшеств или их сочетаний в любом из этих аспектов в разной степени изменяет энергетическую картину контакта и, соответственно, износ контактирующих тел.

Совершенствование рессорного подвешивания

Тележки грузовых вагонов со стандартным рессорным подвешиванием не оснащены направляющими устройствами, вследствие чего при движении в кривых могут возникать большие поперечные силы, приводящие к быстрому износу рельсов, колес и иных конструктивных элементов тележек.

Усовершенствование компонентов рессорного подвешивания, работающих в вертикальном и поперечном направлениях, и их связей между собой улучшает динамические характеристики подвижного состава и снижает поперечные силы, что способствует лучшему вписыванию в кривые.

Лубрикация рельсов

Достоинства лубрикации рельсов были продемонстрированы на полигоне FAST в Пуэбло и в эксплуатационных условиях. FAST (англ. Facility for Accelerated Service Testing) -- железнодорожный испытательный полигон в Пуэбло (штат Колорадо, США), в настоящее время принадлежит компании Transportation Technology Center. Открыт в 1976 году, изначально относился к Министерству транспорта США. Стал первым в стране испытательным кольцевым полигоном, снабженным специальными измерительными средствами[2]. С 1985 года разделён на два кольца: HTL и WRM. Вместе с тем смазывание поверхности катания головки рельсов снижает уровень поперечных нагрузок, но не износ рабочей грани головки.

И наоборот, смазывание рабочей грани уменьшает ее износ, но не влияет на величину поперечных нагрузок.

Для всестороннего использования преимуществ лубрикации железные дороги должны дополнить напольные лубрикаторы, наносящие смазочный материал на рабочую грань головки рельсов, бортовыми и напольными устройствами регулирования трения на поверхности катания.

В настоящее время продолжаются исследования и эксперименты по решению оставшихся проблем, касающихся методологии лубрикации, надежности применяемых систем и распределения смазки, финансируемые AAR и Федеральной железнодорожной администрацией (FRA). Федеральная администрация железнодорожного транспорта ( FRA ) является агентством в США Департамент транспорта (DOT). Агентство было создано Законом о транспорте 1966 года. Цель ОЛР - обнародовать и обеспечить соблюдение правил безопасности на железнодорожном транспорте , управлять программами железнодорожной помощи, проводить исследования и разработки в поддержку улучшения безопасности железных дорог и национальной политики в области железнодорожного транспорта, обеспечить восстановление железнодорожных пассажирских перевозок на северо-восточном коридоре и консолидировать государственную поддержку деятельности железнодорожного транспорта.

Смазывание шкворневого узла

Когда подвижной состав входит в переходную кривую, тележка должна поворачиваться относительно кузова вагона, чтобы следовать очертаниям кривой.

Этот поворот обеспечивается системой сил, возникающих в зоне контакта колес и рельсов.

Сопротивление сухого трения между шкворнем рамы кузова и подпятником шкворневой балки тележки увеличивает момент поворота тележки, для преодоления которого, в свою очередь, необходимо наличие более высоких поперечных и продольных сил во взаимодействии колеса и рельса.

Суммарные силы распора колеи могут привести к повышению напряжений в рельсовых скреплениях. Смазывание шкворневого узла снижает сопротивление повороту тележки и улучшает вписывание в кривые при одновременном уменьшении распирающих сил.

Эксплуатационные преимущества смазывания шкворневого узла широко используются на железных дорогах, и для повышения его эффективности TTC в настоящее время испытывает более долговечные смазочные материалы, а также изыскивает оптимальную периодичность смазывания.

Системы мониторинга состояния подвижного состава и пути, такие, например, как с применением датчиков состояния тележек, выявляют вагоны, оказывающие на путь высокие поперечные нагрузки.

Положительный эффект применения этих датчиков документально подтвержден.

В TTC с участием представителей многих железных дорог разработаны критерии оценки ходовых характеристик вагонных тележек. В настоящее время продолжаются работы по уточнению этих критериев с установкой датчиков на большое число находящихся в регулярной эксплуатации вагонов и последующим сбором и анализом информации об износе компонентов тележек.

Как отмечалось, датчики динамического воздействия колес на путь выявляют вагоны, которые необходимо срочно осмотреть и при необходимости вывести из эксплуатации. Железные дороги получают существенную экономию за счет увеличения срока службы колес и рельсов.

Системы мониторинга состояния профиля колес обеспечивают автоматизированное выявление колес с износом по прокату и утоненным гребнем.

Своевременное изъятие из эксплуатации колес с большим прокатом позволяет снизить контактные напряжения во внутреннем рельсе кривых и в элементах стрелочных переводов.

Железные дороги постоянно ищут возможности использования передовых технологий для повышения безопасности движения поездов. Они вкладывают средства в приобретение датчиков и измерительных систем разных конструкций, позволяющих решить некоторые частные проблемы, но пока что ощущается недостаток в таких технических средствах, которые могли бы решить проблему в комплексе с получением от этого всех потенциальных выгод.

Начиная с 2002 г. в соответствии с пилотной программой, предусмотренной в утвержденном конгрессом США бюджете FRA, в Северной Америке будет развернута широкая сеть датчиков с целью сбора и отслеживания данных об эксплуатационных характеристиках хотя бы части эксплуатируемого подвижного состава. Данные будут использованы для подтверждения достоинств интегрированных систем мониторинга.

Инспектирование по поведению

Высокие вертикальные и поперечные силы могут возникать в результате реакции подвижного состава на множественные искажения геометрии пути в плане и профиле.

Эта реакция на такие неровности пути, как отклонения от прямолинейности и перекосы рельсовых нитей, достаточно хорошо исследована.

Ведутся дальнейшие разработки технологии проверки геометрии пути на основе изучения изменений динамического поведения подвижного состава при движении по пути с разными по виду и размерам нарушениями геометрии.

Специалисты TTC разрабатывают методы инспектирования пути исходя из поведения подвижного состава на основе технологии нейронного сетевого моделирования для прогнозирования чрезмерных реакций подвижного состава, чувствительного к отклонениям в геометрии пути.

Используя бортовую компьютеризированную экспертную систему на вагонепутеизмерителе, железные дороги получат возможность оперативно узнавать, как ведет себя подвижной состав на данном участке пути.

Обладая такой возможностью, можно концентрировать усилия на выработке оптимальной системы текущего содержания и ремонта пути для обеспечения безопасности движения поездов во всех местах, где с наибольшей вероятностью могут возникнуть реальные угрозы безопасности, а не только в тех, где имеют место нарушения геометрии пути, выходящие за допустимые пределы.

Предварительная модель, пригодная для определения реакции вагонов на неровности пути, разработана и осенью 2001 г. представлена на рассмотрение причастным комитетам AAR. Эта система подлежит дальнейшему усовершенствованию по результатам испытаний на кольцевом пути TTC для исследования тяжеловесного движения.

Улучшение состояния тележек

Избыточный износ колес и компонентов рессорного подвешивания тележек вагонов может снизить их способность к самоустановке в рельсовой колее, привести к перекашиванию и повышению сил распора колеи в кривых, а также к повышенному вилянию в прямых. Была доказана возможность использования напольных датчиков, отслеживающих ходовые характеристики подвижного состава, для выявления тележек с неудовлетворительными характеристиками, вызывающих большие поперечные силы.

В настоящее время TTC и другие организации готовят правила замены тележек с неудовлетворительными ходовыми характеристиками на основе информации от таких датчиков.

Уже разработаны предварительные критерии оценки для своевременного направления тележек в депо для осмотра и ремонта. TTC совместно с железными дорогами продолжает работу по уточнению этих критериев на основе информации о поперечных силах и износе тележек и по установлению связи состояния тележек с характеристиками их вписывания в кривые.

Еще одним направлением является установка на грузовых вагонах боковых опор с постоянным контактом для смягчения проблемы виляния -- одного из основных факторов износа конструктивных элементов тележек. В настоящее время комитет технического обслуживания AAR вырабатывает требования по совершенствованию конструкции, содержания и установки таких боковых опор на вагонах.

Выгоды от снижения виляния в принципе доказаны для всех тележек. Однако плохо содержащиеся или неправильно установленные боковые опоры с постоянным контактом оказывают негативное влияние на вписываемость тележек в кривые.

С учетом этой проблемы TTC составил план исследований для определения того, на вагонах каких типов наиболее целесообразно использовать боковые опоры с постоянным контактом.

Система колесо -- рельс обеспечивает непрерывное взаимодействие подвижного состава с верхним строением пути.

За последние 20 лет скорость пассажирских поездов стала выше, улучшились плавность хода и общая комфортность поездок. Качество и эффективность данной системы в значительной степени определяет инфраструктура. Необходимо, чтобы совершенствование подвижного состава осуществлялось с учетом сложившихся условий инфраструктуры. Важным вспомогательным средством оптимизации сопряжения между подвижным составом и верхним строением пути являются диагностические системы.

Требования к системе колесо -- рельс

Для пассажирских поездов со скоростью до 300 км/ч и грузовых с осевыми нагрузками до 22,5 т (в перспективе до 25 т) требуется, чтобы верхнее строение пути отвечало высоким требованиям в отношении:

• безопасности, надежности и эксплуатационной готовности;

• устойчивости движения и плавности хода;

• долговечности и качества текущего содержания.

При этом важно, чтобы путь не имел дефектов, отвечал соответствующим правилам технической эксплуатации, имел высокое качество в отношении геометрии и динамических свойств, в том числе профиля рельсов, гарантирующего хороший контакт с колесом, устойчивое и безопасное движение экипажа.

Совершенствование верхнего строения пути

Совершенствовать верхнее строение пути следует путем улучшения отдельных компонентов, например, применять оптимизированные рельсовые скрепления с изменяемой упругостью. В ходе оздоровления пути необходимо использовать качественный щебеночный балласт и железобетонные шпалы современных конструкций.

Для линий с высокой грузонапряженностью могут рассматриваться опробованные в эксплуатации конструкции пути на жестком основании или на щебеночном балласте и железобетонных шпалах увеличенной ширины. При этом должны выполняться требования в отношении задаваемых значений упругости верхнего строения пути.

Верхнее строение пути предназначено для восприятия вертикальных и горизонтальных, статических и динамических сил, возбуждаемых подвижным составом, и дальнейшей передачи их через нижнее строение пути на грунт.

Взаимодействие колеса с рельсом и сложная геометрия области их контакта (площадь контакта составляет 1 см2 и менее) являются решающими факторами для поведения подвижного состава при движении, плавности хода, интенсивности износа и безопасности движения.

Для надежного направления подвижного состава в колее и оптимизации плавности хода, а также для обеспечения приемлемого уровня износа колесо и рельс должны иметь согласованную форму профиля.

Согласно действующим инструкциям колесные пары должны обладать такими свойствами, чтобы в определенных случаях обеспечивалось прохождение кривых радиусом 150 м. Так называемый изношенный профиль колес считается оптимальным.

Для обеспечения комфортности поездки подвижной состав должен иметь плавный ход и согласованное с его конструкцией рессорное подвешивание кузова. Упругость верхнего строения пути, эквивалентная конусность колес и разбег колесной пары в колее также должны учитываться при оценке эффективности системы колесо -- рельс.

Для линий с высокой грузонапряженностью могут рассматриваться опробованные в эксплуатации конструкции пути на жестком основании или на щебеночном балласте и железобетонных шпалах увеличенной ширины.

При этом должны выполняться требования в отношении задаваемых значений упругости верхнего строения пути.

Чтобы целенаправленно улучшать верхнее строение пути и подвижной состав, необходим анализ отказов с привязкой их к конкретным нагрузкам.

Линии со смешанными перевозками характеризуются широким диапазоном скорости движения поездов, осевых нагрузок, конфигураций поездов и тягового подвижного состава. В связи с этим система колесо -- рельс чаще всего оптимизируется итеративно. Системная оптимизация при этом, как правило, проводится во взаимодействии расчетов на математических моделях, лабораторных исследований, эксплуатационных испытаний и измерений.

1 января 1994 года во Франкфурте-на-Майне было основано акционерное общество “Железные дороги Германии” (Deutsche Bahn AG - DBAG).

DBAG стремятся к тому, чтобы верхнее строение пути на магистральных линиях с высокой грузонапряженностью контролировалось в непрерывном режиме с помощью диагностических систем. К дефектам, которые ведут к повышенному уровню напряжений в пути, прежде всего относятся ползуны, чрезмерный прокат бандажей и гребни с острым накатом.

С помощью системы контроля эти дефекты можно обнаруживать, а поврежденные детали подвижного состава направлять в ремонт. Это позволит снизить затраты на содержание как верхнего строения пути, так и подвижного состава и окажет положительное влияние на эффективность системы колесо -- рельс.

В настоящее время на сети DBAG для обнаружения ползунов и некруглостей колес используется несколько устройств. С их помощью по величине сил, измеряемых в контакте колесо -- рельс за время прохождения отрезка пути в несколько шпал, ориентировочно определяют параметры для оптимизации контакта между колесом и рельсом. На сети DBAG действуют около 20 таких устройств. С их помощью можно выявлять подвижной состав, создающий повышенные напряжения в пути.

Для того чтобы избежать чрезмерных дополнительных инвестиции в верхнее строение пути, следует обеспечить на новом подвижном составе соблюдение установленных предельных значений ряда параметров, связанных с электромагнитной совместимостью. В противном случае разработанный подвижной состав может быть допущен к эксплуатации на сети DBAG лишь с ограничениями или не допущен вообще.

DBAG всегда стремились выполнять все требования, направленные на обеспечение электромагнитной совместимости. Это иллюстрируют следующие примеры:

• поезда городских железных дорог серии ЕТ 420, оборудованные системой электрического отопления вагонов и использующие тяговый привод с фазовым регулированием, были приняты в эксплуатацию лишь после выполнения мероприятий по доработке ряда систем;

• в системе непрерывной локомотивной сигнализации LZB, разработанной для скорости выше 160 км/ч, электромагнитное влияние на линейные шлейфы системы со стороны стальной арматуры пути на жестком основании потребовало принятия специальных технических мер;

• перед вводом в эксплуатацию поездов ICE3 с линейным вихретоковым тормозом на ряде линий были переоборудованы устройства СЦБ. Возникающие при торможении сильные электромагнитные поля влияли на напольные коммутирующие устройства, которые подавали команду на включение переездных устройств и счетчиков осей поезда в системе контроля занятости пути. В результате безопасная эксплуатация была обеспечена установкой в этих системах специально разработанных компонентов и фильтров;

• развивающаяся европейская система управления и обеспечения безопасности движения поездов базируется на радиосвязи. Сейчас в ряде европейских стран проходит опробование системы ETCS, которая облегчает международное сообщение и должна интегрировать более 20 различных систем управления и обеспечения безопасности движения.

Стандартная европейская система передачи информации путь -- транспортноесредство и контроля движения поезда ETCS (европейская система управления движениемпоездов -- European Train Control System) является основной составляющей европейскойсистемы управления железнодорожным движением ERTMS (European Rail Traffic ManagementSystem).

В зависимости от технологической стратегии и требований к пропускной способности оператор инфраструктуры при оборудовании линий может выбирать один из трех уровней ETCS. В Германии сейчас испытывается уровень 2. Первые опытные поездки со скоростью 200 км/ч прошли успешно.

Главный компонент системы ETCS, расположенный в пути -- европейский приемоответчик Eurobalise, который служит не только для приема и передачи информации, но и в качестве опорной точки для определения местонахождения поезда.

Оценивая трудоемкость технического обслуживания элементов системы колесо -- рельс и учитывая опыт текущего содержания пути, можно определить потенциал оптимизации подвижного состава в отношении его воздействия на путь, в том числе с точки зрения величины возникающих вертикальных сил.

Поведение экипажа при движении в колее

Поведение железнодорожного подвижного состава в колее в решающей степени определяется горизонтальными силами. Применительно к верхнему строению пути потенциал улучшения достаточно высок:

• за счет радиальной установки колесных пар в кривых с помощью перекрестных тяг в дизель-поездах серий VT 611 и VT 612 снижены возникающие в кривых квазистатические силы набегания. Колесные пары с принудительной установкой, дающей такой же эффект, до настоящего времени еще не могут быть реализованы;

• применение колесных пар с колесами, вращающимися на оси, позволит значительно снизить интенсивность проскальзываний колес в кривых малого радиуса.

Эти проскальзывания возникают преимущественно на внутреннем рельсе пути в кривых радиусом менее 700 м и вызывают деформации головки рельса. Последние ведут к увеличению угла набегания колеса на наружный рельс кривой, что повышает боковой износ головки рельса и гребня бандажа. Одновременно повышается уровень шумоизлучения и вибраций. Устранение этих дефектов на поверхностях катания рельса и колеса требует значительных затрат;

• повышенная стабильность ходовой части и уменьшение неподрессоренных масс могли бы положительно повлиять на поперечную динамику в стрелочных переводах и переходных кривых. Конкретно это может быть достигнуто в тяговом подвижном составе за счет отказа от опорно-осевой подвески тяговых двигателей, а в грузовых вагонах со скоростью движения до 160 км/ч -- за счет введения вторичного поперечного подрессоривания;

• для того чтобы уменьшить квазистатические поперечные силы при движении подвижного состава в кривых малого радиуса, нужно при низкой скорости отключать гасители колебаний виляния или универсальные гасители, активизируя их лишь при высокой скорости. Причиной появления этого утверждения является повышенный износ рельсов в кривых малого радиуса и остряков стрелочных переводов, по которым в регулярной эксплуатации проходит подвижной состав, оборудованный такими гасителями. Последние предназначены для того, чтобы повысить предел скорости, при котором стабильный ход подвижного состава переходит в нестабильный. Таким образом, гасители, эффективные в диапазоне высокой скорости, при прохождении поездом кривых малого радиуса (особенно коротких переходных кривых или стрелочных переводов) ведут к увеличению поперечных динамических сил и повышенному износу пути и подвижного состава.

Вертикальные перемещения

Вертикальные колебания подвижного состава оказывают значительное влияние на процессы, происходящие в контакте колесо -- рельс, и на поведение подвижного состава в колее при высокой скорости.

На базе использования двухэтажных вагонов проведены исследования напряжений в рельсах. Их результаты показали, что квазистатические силы в контакте колеса с рельсом могут быть снижены за счет более низкого расположения общего центра тяжести.

Поскольку величина вертикальной силы в контакте определяется коэффициентом наклона, в грузовых вагонах должно быть улучшено поперечное рессорное подвешивание.

Динамические силы в контакте определяются в основном величиной неподрессоренных масс. Их снижение возможно за счет уменьшения массы тележек вследствие применения более легких материалов и улучшенного рессорного подвешивания колесных пар в раме тележки. В грузовых вагонах следует ожидать положительного эффекта от увеличения расстояния между шкворнями (в двухосных -- от расстояния между колесными парами).

Путь и подвижной состав представляют собой единую механическую систему. Состав и части которой работают взаимосвязано и взаимозависимо. Силы, которые действуют от колеса на путь, в такой же степени действуют на колесо, а через него на другие элементы подвижного состава, для того чтобы взаимодействия пути и подвижного состава было наилучшим, существуют особенности устройства ходовых частей подвижного состава и особенности устройства рельсовой колеи.

Расстояние между крайними осями экипажа, которые сохраняют параллельность при движении в прямых и кривых участках пути, называют жесткой базой. Чем длиннее жесткая база, тем труднее экипаж вписывается в кривую, особенно малого радиуса. Расстояние между крайними осями подвижного состава, независимо от того закреплены в основной раме кузова или в рамах тележки, называют полной базой экипажа. Кроме того к особенностям устройства ходовых частей подвижного состава относят:

1. Наличие колесных пар

2. Насадку колесных пар на ось.

3. Наличие гребней колес

4. Расчетный уровень

5. Коничность колес.

6 Наличие зазоров

Два колеса, глухо наложенных на одну ось называют колесной парой. Глухая насадка колес на оси обеспечивает неизменность расстояния между колесами, глухая насадка колес необходима для того чтобы колесо не смогло принять наклонное к вертикале положение.

Вся масса вагона разделяется на подрессоренную и неподрессоренную. К неподрессоренной массе относят массу колесных пар с буксами.

При движении вагона его подрессоренная и неподрессоренная массы совершают колебания относительно рельсового пути. Причем колебания колесных пар происходят самостоятельно, независимо от кузова.

В зависимости от направления действующих сил колебания кузова могут вызывать сложные перемещения его в пространстве.

Основные виды колебаний:

Подпрыгивание (перемещение вверх и вниз) совершается под действием периодически изменяющихся вертикальных сил, вызывающих колебательные движение подрессоренных частей относительно колесных пар

Галопирование (колебание кузова вокруг поперечной оси проходящей через центр тяжести) вызывается неодинаковым прогибом рессорного подвешивания передней и задней тележек

Поперечное (боковое) раскачивание (колебания экипажа вокруг продольной оси) возникает вследствие разного прогиба рессорного подвешивания на одной и другой стороне вагона.

Виляние(поперечное перемещение и одновременное вращательное движение относительно вертикальной оси вагона) возникает вследствие извилистого движения колесной пары, вызываемого коничностью колес и попеременного воздействия упругих сил со стороны рельсов на колеса каждой колесной пары.

Боковой относ (смещение кузова в поперечном направлении) вызывается действием центробежных сил и иногда сил ветра.

Нагрузка, передаваемая от локомотива в виде давления колес на рельсы в статическом (неподвижном) состоянии, значительно увеличивается при движении локомотива. Воздействие локомотива на путь может достигнуть такой величины, что станет опасным для прочности рельсов, и, наоборот, настолько уменьшится, что приведет к разгрузке отдельных осей и сходу их с рельсов.

Действие локомотивов на путь слагается из вертикальных усилий и усилий, действующих в горизонтальной плоскости, появляющихся вследствие давления гребней колесных пар на головки рельсов на прямых и особенно на кривых участках пути. Полная вертикальная нагрузка от колес локомотива на рельсы при его движении в основном слагается из постоянной (статической) нагрузки, переменной нагрузки вследствие деформации рессор от колебаний надрессорного строения локомотива и динамической нагрузки, возникающей при движении колеса по неровностям рельса или из-за неровностей бандажа колес.

Статическая нагрузка на рельсы (от неподвижно стоящего локомотива с учетом собственной массы колесной пары) оказывает влияние на выбор мощности верхнего строения пути. Чем она больше, тем более прочные и тяжелые рельсы должны быть уложены в пути.

При движении статическая нагрузка несколько перераспределяется между осями локомотива благодаря действию силы тяги, приложенной к автосцепке, и создает опрокидывающий момент, разгружающий на некоторую величину передние оси локомотива и перегружающий на ту же величину задние оси. С увеличением скорости сила тяги становится меньше и, следовательно, снижается разница в нагрузках передних и задних осей локомотива.

Переменная нагрузка от колебаний надрессорного строения возникает главным образом от вертикальных сил, передающихся кузову локомотива через рессоры при проходе колесных пар по стыкам и другим неровностям пути.

Колебания надрессорного строения локомотива могут происходить не только от воздействия пути, но и под влиянием неуравновешенных сил и их моментов. К ним относятся собственные колебания надрессорного строения, получившего толчок и колеблющегося затем без воздействия на него каких-либо внешних сил, и вынужденные колебания, возникающие под влиянием периодически меняющейся силы, например при работе силовой установки локомотива. Эту силу принято называть возмущающей (при движении паровоза она достигает несколько тонн). У тепловоза возмущающая сила, вызывающая колебания кузова при работе дизеля, мала, что объясняется хорошей уравновешенностью его машин.

Различные виды колебаний надрессорного строения могут быть следствием ударов на стыках, пучин в пути, выбоин на колесных паpax, просадки нити рельсов, действия ветра, центробежной силы на кривых и др.

Колебания характеризуются частотой и амплитудой. При равенстве частот собственных и вынужденных колебаний наступает явление резонанса, характеризуемое резким возрастанием амплитуды. Это вызывает повышенный износ и поломку деталей локомотивов, расстройство пути и угрожает безопасности движения. С повышением скорости движения деформации рессор увеличиваются и становятся наибольшими в случае совпадения частоты колебаний локомотива (при периодически повторяющихся толчках от пути) с частотой какого-либо из видов колебаний надрессорного строения. Во избежание возникновения в этом случае резонанса колебаний находят и учитывают значение критической скорости движения. Динамические усилия на путь от деформации рессор принимают в размере 15--25% статической нагрузки.

Динамическая нагрузка на путь, возникающая при движении колеса по неровностям рельсов или вследствие неровностей на бандаже колеса, проявляется в виде величины инерционного давления, передаваемого колесом на рельс. В зависимости от глубины и длины неровности бандажей динамическая нагрузка доходит до 60% и более статической нагрузки на рельсы.

Наличие на бандажах колес большого проката с резко очерченными краями или ползунов можег привести к поломке рельсов. Дополнительная переменная нагрузка от просадки пути, рельсовых стыков, наличия балластных корыт и других недостатков в содержании пути увеличивается со скоростью движения и при следовании локомотива с конструкционной скоростью может достигать 80--90% статической нагрузки на рельсы. Колеса локомотива, помимо вертикальной нагрузки, передают на рельсы еще и горизонтальные усилия, а также воспринимают усилия, действующие на экипаж локомотива в горизонтальной плоскости, в особенности при движении по кривым участкам пути.

При движении по кривой на локомотив и путь действует также центробежная сила, которая возрастает с увеличением скорости движения, а на тележки локомотива, кроме того, действуют силы, которые передаются устройством, возвращающим тележки в исходное положение.

Помимо давления гребня набегающего колеса, вызывающего боковой износ его и головки наружного рельса, на рельс действует также поперечная составляющая сила трения, приложенная в точке контакта бандажа с рельсом. Боковое давление, возникающее при этом, может вызвать в некоторых случаях сдвиг и опрокидывание рельсов. При чрезмерном боковом давлении гребень колеса может вползти на головку рельса. Чтобы этого не произошло, соотношение величины бокового давления и статической нагрузки должно обеспечивать соскальзывание колес вниз.

Колеса являются одним из основных и наиболее нагруженных элементов ходовой части железнодорожного подвижного состава, непосредственно взаимодействуя с путем. При проектировании колесных пар следует учитывать ряд конструктивных ограничений, связанных с особенностями их эксплуатации.

Колесные пары должны соответствовать принятым ширине колеи, габариту подвижного состава и осевым нагрузкам.

По габаритным требованиям оси и буксы должны находиться на определенной высоте над УГР, кроме того, диаметр колес должен быть увязан с конструкцией рессорного подвешивания. Спроектированная с учетом этих условий колесная пара должна выдерживать заданный уровень динамических нагрузок и сил, возникающих во взаимодействии как между экипажем и колесными парами, так и между колесами и рельсами.

Максимальная статическая нагрузка от колесной пары на рельсы включает массу груженой (заполненной, экипированной) единицы подвижного состава и собственную массу колесной пары, которая при оси диаметром 150 мм и двух колесах диаметром 1000 мм составляет примерно 1,45 т. На железных дорогах Великобритании (BR) максимально допускаемая осевая нагрузка составляет 25т.

Масса кузова и тележек обычно передается на колесные пары через буксы, размещенные с наружной стороны колес (встречаются конструкции, в которых буксы расположены внутри колесной пары). Колесные пары подвергаются значительным циклическим динамическим нагрузкам, в результате которых в колесах накапливаются усталостные дефекты.

Для обеспечения безопасности движения и предотвращения излома колесных пар под подвижным составом на железных дорогах установлен строгий контроль за качеством изготовления колес и их состоянием в эксплуатации. При этом определены предельные отклонения размеров и виды дефектов, с которыми колесные пары можно допускать к эксплуатации. Производится периодическая проверка колесных пар с помощью ультразвуковых и магнитных средств дефектоскопии.

Функции колёсных пар.

Колесные пары выполняют следующие функции: опирания и направления подвижного состава при движении по рельсовому пути; обеспечения требуемого уровня ускорения при разгоне и замедления при торможении; пропускания тяговых токов в землю и токов короткого замыкания от напольных устройств СЦБ. Все эти функции реализуются в зоне контакта колеса и рельса, и их анализ позволяет разработать требования к контактирующим поверхностям взаимодействующих тел.

Сопротивление качению современных вагонов со стальными колесами не превышает 10 кг/т, что равноценно коэффициенту трения 0,01. Иначе говоря, трение скольжения на практике присутствует только при проскальзывании колес относительно рельсов, а также в буксах, имеющих подшипники скольжения, причем в последнем случае скольжение происходит в контролируемых условиях и при постоянном наличии смазки. Если же буксы оснащены подшипниками качения, трение скольжения вообще сводится к минимуму и проявляется лишь в местах контакта металл/металл внутри подшипника.

В идеальном случае для обеспечения минимального взаимодействия с путем экипаж должен двигаться в рельсовой колее прямолинейно, без набегания гребнями колес на рельсы.

Однако под воздействием неровностей верхнего строения пути и на поверхности катания колес колесная пара совершает сложные пространственные перемещения, которые через буксы и рессорное подвешивание передаются экипажу.

Конусность поверхности катания колес и подуклонка рельсов способствуют прямолинейному движению экипажа в прямых участках без набегания гребня колес на рельсы. Она же облегчает вписывание экипажа в кривые, компенсируя разность касательной скорости колес, катящихся по наружному и внутреннему рельсам, до того момента, пока наружное колесо не начнет направляться наружной рельсовой нитью. С этого момента колесо начинает проскальзывать по рельсу и возникают дополнительные поперечные силы между гребнем колеса и рабочей гранью наружного рельса. Это приводит к повышенному боковому износу рельсов и гребней колес, скрипу, уширению колеи и возникновению условий для вкатывания колеса на рельс.

Если современный вагон разогнать и отцепить, на горизонтальном пути он будет постепенно снижать скорость с замедлением порядка 0,1 м/с2. Для повышения эффективности торможения и снижения потерь времени на замедление разработаны различные конструкции тормозов, от простейших фрикционных до усложненных электродинамических, которые позволяют быстро и плавно останавливать поезд.

Если при торможении поезда к колесам прикладывается тормозная сила, которая замедляет вращение колес, то при разгоне к ним прикладывается крутящий момент, который увеличивает частоту вращения. Как и при торможении, коэффициент трения в контакте колеса и рельса ограничивает крутящий момент при разгоне до величины, при которой не будет пробуксовки колес.

Для предотвращения чрезмерного буксования и вызываемого им образования дефектов рельсов в виде лысок в настоящее время все тяговые единицы оборудуются специальными устройствами. При этом в связи с буксованием и проскальзыванием колес при разгоне и торможении следует учитывать, что, во-первых, при этом происходит истирание поверхности катания рельсов и увеличение коэффициента трения для последующих колесных пар, во-вторых, для повышения трения между колесом и рельсом применяются различные методы, наиболее распространенным из которых является подача сухого песка в зону контакта, хотя это иногда приводит к нежелательным побочным последствиям.

Особенностью рельсового транспорта является то, что в результате качения стальных колес по стальным рельсам на поверхности катания образуется чистая блестящая продольная полоса, через которую могут проходить обратные токи. Это обстоятельство способствовало разработке и внедрению электрической тяги.

Однако при этом возникают проблемы. Специалисты полагают, что особое внимание следует уделять токопроводящим элементам не только на тяговых единицах, но на всех видах подвижного состава, обращающегося по электрифицированным железным дорогам. Это связано с тем, что из-за сопротивления рельсов обратные токи имеют тенденцию к перетеканию от тяговой единицы на путь к точке заземления рельсов через колеса и рамы других экипажей. Чтобы предотвратить прохождение этих токов через буксы, все вагоны должны иметь заземлители. Вместе с тем имеет место положительный эффект от обратных токов, проходящих через зону контакта колеса и рельса, проявляющийся в том, что они способствуют удалению пленочных изолирующих покрытий, ухудшающих сцепление колес с рельсами, особенно если они влажные, с поверхности контактирующих тел.

Наличие токопроводящих дорожек на колесах и рельсах позволило специалистам по СЦБ и связи использовать колесные пары в качестве короткозамыкающих или переключающих устройств для определения местонахождения поездов через рельсовые цепи низкого напряжения.

Благодаря этому стала возможной централизация управления сигналами и стрелочными переводами с постами управления движением, оборудованными дисплеями, на которых отображается местонахождение поезда в любой момент времени. Современные системы СЦБ, использующие принцип токопроводимости контактных поверхностей колес и рельсов, в достаточной степени обеспечивают безопасность движения поездов.

Однако эта функция может оказаться ненадежной в эксплуатации, если контактирующие поверхности загрязнены. Образующаяся изолирующая пленка в виде слоя ржавчины, песка или опавших листьев существенно снижает токопроводимость рельсовых цепей. Рост числа отказов рельсовых цепей по этой причине связан с техническим прогрессом в других областях.

Кроме того, совершенствование рессорного подвешивания подвижного состава повысило устойчивость движения и снизило интенсивность виляния тележек. В результате уменьшились поперечные перемещения колес по рельсам и, соответственно, взаимное трение контактирующих поверхностей, "очищающее" токопроводящие дорожки. Из-за этого загрязнения с них удаляются менее интенсивно, и надежность работы рельсовых цепей снижается. Для повышения их надежности приходится использовать различные технические решения.

Требования к контактирующим поверхностям.

Основным требованием к контактирующим поверхностям колес и рельсов является обеспечение высокой величины коэффициента трения для поддержания такого уровня сцепления, при котором колеса могли бы катиться по рельсам без проскальзывания даже в режиме торможения или разгона.

При проектировании экипажей максимальный коэффициент трения при разгоне принимается 0,25, а минимальный при торможении 0,12, хотя закладываемые в конструкцию резервы обеспечивают безопасную эксплуатацию при коэффициентах трения, выходящих за эти пределы.

При движении экипажа по пути по большей части имеет место соприкосновение гребня колеса с боковой поверхностью рельса, что приводит к возникновению дополнительных боковых сил.

Для сведения этих сил к минимуму необходимо создание соответствующих профилей поверхности катания колес и рельсов. Состояние пути и колесных пар оказывает решающее влияние на вертикальные и горизонтальные силы. Качение колеса по рельсу осуществляется по узкой полосе контакта. При этом требуются идеально круглое колесо и плоская поверхность катания рельса. Если у колеса имеется ползун или овальность, при каждом обороте колеса рельс будет подвергаться ударным нагрузкам, и реакция от этих ударов будет передаваться на подрельсовое основание, а также на рессорное подвешивание и кузов подвижного состава (следовательно, на пассажиров и груз), расстраивая конструкцию и ухудшая условия перевозки. Подобные же явления происходят при наличии неровностей у рельсов.

...