При рассмотрении этих воздействий следует принимать во внимание влияние множественности колесных пар. Через экипаж осуществляется связь между всеми колесными парами единицы подвижного состава, а через сцепные приборы - с другими вагонами поезда. Поэтому динамическое поведение колесных пар нельзя рассматривать изолированно. К тому же следует иметь в виду, что статическая нагрузка от экипажа равномерно распределяется по колесным парам, но при разгоне или торможении она может перераспределяться.

Величина динамического воздействия зависит от параметров рессорного подвешивания, неподрессоренных масс, эксцентриситета вращающихся масс, упругих характеристик пути, а также размера и длины волнообразных неровностей на поверхности катания рельсов.

Помимо вертикальных и боковых, при разгоне и торможении поезда в контакте колеса и рельса возникают продольные силы. При вилянии колесной пары также возникают продольные силы, которые стремятся вернуть ее в среднее положение относительно оси пути. Вертикальная составляющая поперечной силы в кривой в сочетании с неудовлетворительными параметрами рессорного подвешивания при определенных условиях может вызвать вкатывание колеса на головку рельса и последующий сход.

Рассмотренный спектр сил следует учитывать при проектировании колесных пар. Динамические нагрузки и их циклический характер предъявляют повышенные требования к материалам, из которых изготавливают колесные пары. Предпочтительнее изготовлять их путем ковки стальных отливок, обладающих высоким пределом текучести, повышенной износостойкостью и ударной вязкостью.

В процессе изготовления колес необходимо соблюдать высокую технологическую точность - отклонения от проектных размеров не должны превышать 0,25 мм. В эксплуатации следует осуществлять строгий контроль за состоянием колесных пар и своевременно выявлять дефекты, которые могут перерасти в трещины с последующим разрушением колес.

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) рельсо-шпальной решетки.

Вертикальное давление на рельс -- это нормальные (перпендикулярные к поверхности) силы, которые через колеса подвижного состава передаются на рельсы. Сила тяжести подвижного состава, приходящаяся на одну ось, когда он находится в неподвижном состоянии, называется статической нагрузкой.

Нагрузка, передаваемая подвижным составом на рельсы при движении, называется динамической. Величина ее непостоянна. Она изменяется во времени по величине и направлению под влиянием факторов случайного характера, различных неровностей на поверхности соприкасания колес с рельсами, упругой деформации пути, рессор и других элементов ходовых частей, особого характера движения жестко соединенных между собой осей подвижного состава по рельсовой колее, изменяющейся на протяжении пути траектории движения подвижного состава.

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 -- подрессоренная часть.

При движении обе эти части локомотивов и вагонов совершают колебательные движения относительно пути и друг друга, что и вызывает изменения нагрузок на рельсы.

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

Динамическое давление на рельс может превышать статическую нагрузку в 1,5 -- 2 раза, а если неровности на пути и на колесе совпадают, то в зависимости от скорости движения силы в местах контакта колеса и рельса в некоторых случаях возрастают в 3--4 раза.

Переменные горизонтальные поперечные силы -- это рамное давление (силы, действующие на кузов и передаваемые через раму на колесные пары) и боковое давление, вызываемое поворотом состава в кривых (вписывание подвижного состава в кривые).

На рельсы передаются также и горизонтальные продольные воздействия (силы угона, торможения и продольные усилия от действия температуры).

При конструировании верхнего строения пути и ходовых частей подвижного состава стремятся обеспечить наиболее благоприятное их взаимодействие.

Подвижной состав железнодорожного транспорта в отличие от других видов (автомобильного, водного, воздушного) не имеет рулевого управления. Траекторию его движения определяет рельсовая колея. Этим определяются и особенности ходовых частей: наличие реборд (гребней) у бандажей колес; глухая насадка колес на оси; параллельное расположение осей у безтележечных экипажей и у тележек локомотивов и вагонов; коничность бандажей колес; возможность поворота тележек и отдельных осей. Постоянство рельсовой колеи требует и постоянства расстояния между колесами, для этого их запрессовывают так, чтобы они не могли ни смещаться на оси, ни поворачиваться относительно нее. Это называется глухой насадкой колес.

Гребни колес не вплотную прилегают к боковым граням головок рельсов, а с некоторым зазором, который компенсирует допуски в насадке колес и ширине колеи, а также уменьшает сопротивление движению поезда и износ гребней и рельсов.

При излишних размерах зазора взаимодействие пути и подвижного состава и условия комфортабельности езды ухудшаются (увеличиваются угол удара при косых набеганиях колес в прямых участках и при входе в кривые участки, виляние и качка экипажей).

Поверхность катания колес подвижного состава коническая с уклоном 1 : 20 , это обеспечивает более равномерный их износ и плавное движение. Колесо, выведенное из среднего положения на рельсе, стремится вернуться к нему.

Особенно необходима коничность для прохода по стрелочным переводам, где даже при небольшом прокате цилиндрические колеса испытывали бы резкие удары в крестовинах. Чтобы колеса равномерно опирались на рельсы, им также придают наклон в 1: 20 внутрь колеи, который называют под уклонкой рельсов.

Две-три оси объединяют жесткой рамой, не допускающей поворота их относительно друг друга. Параллельность колесных пар исключает возможность их перекоса в плане и провала внутрь колеи. Расстояние между крайними осями жесткой рамы называется жесткой базой, а между крайними осями единицы подвижного состава -- полной колесной базой. Чем длиннее жесткая база локомотива или вагона , тем труднее она проходит по кривым участкам, особенно малых радиусов. Поворот тележек вокруг шкворня обеспечивает прохождение по кривым многоосных экипажей.

Оптимизация профиля рельсов.

Образование оптимального профиля рельсов и его сохранение способствуют снижению поперечных сил и напряжений во взаимодействии колеса и рельса и ослабляют динамическое воздействие подвижного состава на путь.

Вместе с тем выполненные TTC расчеты на математической модели и натурные эксперименты показали, что шлифование рабочей выкружки головки наружного рельса кривых создает условия для возникновения жесткого двухточечного контакта колесо -- рельс, снижает способность вагонных тележек к самоустановке и ведет к перекашиванию тележки.

Однако недавнее обследование показало, что некоторые железные дороги продолжают шлифовать рабочую выкружку наружного рельса. По этой причине TTC на основе изучения опыта и результатов исследований выработал рекомендации железным дорогам по оптимизации и сохранению профиля рельсов. В рекомендациях отражены следующие аспекты:

• профилактическое местное и специальное шлифование рельсов;

• шлифование внутренних рельсов кривых, изготовленных из улучшенной стали методом непрерывного литья, для образования и поддержания радиуса поверхности катания головки рельсов в пределах 178 - 254 мм и сглаживания наружной выкружки головки во избежание повреждения колесами с большим износом по прокату;

• шлифование наружных рельсов кривых для сглаживания рабочей выкружки головки в целях обеспечения ее естественного износа;

• легкое шлифование внутренней выкружки стандартных рельсов и исключение какого-либо другого шлифования, которое приводит к жесткому двухточечному контакту между колесами и рельсами в кривых;

• шлифование после пропуска 25 млн. т брутто поездной нагрузки (как минимум) в случае отсутствия каких-либо иных факторов.

Оптимизация профиля колес.

Колеса, имеющие значительный износ по прокату, препятствуют ориентированию тележек в колее, вызывают распор колеи, повреждения внутреннего рельса кривых и элементов стрелочных переводов. Такие колеса, а также колеса с утоненным гребнем в кривых с изношенными рельсами могут вызвать высокие контактные напряжения вследствие несогласованности профилей колеса и рельса.

Колеса с дефектами на поверхности катания являются причиной возникновения ударных нагрузок, также вызывающих повреждения компонентов пути и подвижного состава.

Математическое моделирование и натурные испытания выявили и позволили количественно оценить отрицательное влияние колес с прокатом на установку тележек в кривых. Поэтому было предложено ужесточить требования по изъятию из эксплуатации сильно изношенных и дефектных колес.

Следующей задачей стал пересмотр руководящих документов по содержанию колеи в связи с обращением подвижного состава с изношенными и поврежденными колесами и по оптимизации схемы изъятия таких колес из эксплуатации.

Проблемой также является ударное воздействие колес на путь. Оно сокращает срок службы шпал (особенно железобетонных) и самих колес, увеличивает затраты на текущее содержание и замену рельсовых скреплений, вызывает изломы рельсов в холодное время, расстраивает элементы ходовой части подвижного состава, в частности рычажных тормозных передач, и повышает сопротивление движению поездов.

Исследования AAR и TTC, проведенные в 1989 - 1993 гг., показали, что при использовании датчиков ударных нагрузок можно измерять обусловленные неровностями поверхности катания ударные воздействия колес на рельсы и на основе результатов этих измерений вырабатывать критерии изъятия дефектных колес из эксплуатации.

Результаты анализа подтвердили, что экономически оптимальная пороговая динамическая нагрузка для изъятия таких колес составляет 38,25 т при статической нагрузке от колеса, равной 15 т.

В январе 1993 г. механический комитет AAR рекомендовал изымать из эксплуатации колеса, оказывающие на рельсы динамическую нагрузку, превышающую 45 т. В 2001 г. этот же комитет понизил пороговое значение динамической нагрузки до 40,5 т и рекомендовал изымать все колеса с более высокими динамическими нагрузками, обусловленными любыми дефектами на поверхности катания.

Размещено на Allbest.ru