Влияние неисправностей колесных пар на состояние пути

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Факультет Заочный

Кафедра «Путь и железнодорожное строительство»

Допускается к защите

Зав.кафедрой профессор, докт. техн. наук

Аккерман Г.Л.

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Тема: «Влияние неисправностей колесных пар на состояние пути»

Разработал ЗФ СЖД- 624

Дьяченко Е.В.

Руководитель ассистент

Желтышев П.А.

доктор технических наук

Булаев В.Г.

Н. контролер зав. кафедрой, профессор

Аккерман Г.Л.

Екатеринбург 2010

Реферат

В данном дипломном проекте всего: страниц - 72 , формул - 14 , рисунков -15 , таблиц - 5 , использованных источников названий -25, чертежей и плакатов 10 листов.

взаимодействие колеса и рельса, неисправности колесных пар, выщербины, ползуны, МОДЕЛИРОВАНИЕ ползуна в uм, НЕИСПРАВНОСТИ ПУТИ, Дефекты рельсоВ.

В дипломном проекте рассмотрено взаимодействие железнодорожного пути и подвижного состава. Рассмотрены неисправности колесных пар, влияющие на состояние пути. Статистические данные о рельсах снятых с путей в следствии дефектов № 24 по Серовской дистанции пути Свердловской железной дороги были взяты в ПЧ-20.

С помощью «Универсального механизма» рассматривали динамическое воздействие ползуна, как на путь, так и на экипаж. Задавали профиль неровности рельса, который бы соответствовал реальному ползуну на колесе.

Были заданы также функциональная зависимость профиля неровности рельса, соответствующей модели ползуна, и ее первая производная. Проведена параметризация неровности, в результате чего ее параметры (глубину, радиусы скругления) можно было изменять, также как и параметры рассматриваемых транспортных средств.

Таким образом, полученные данные можно использовать для выявления ползунов и регистрации неисправностей подвижного состава на контакте колесо - рельс, тем самым продлевая срок службы рельсов и колесных пар.

ползун колесная пара неровность рельса

Содержание

Введение

1. Взаимодействие пути и подвижного состава

2. Дополнительные силы воздействия колеса на рельс

3. Неисправности колесных пар

3.1 Выщербины

3.2 Ползуны

3.2.1 Причины возникновения ползунов

3.2.2 Размеры ползунов и скорости движения с ползунами

3.2.3 Какую опасность представляют ползуны для пути

3.2.4 Силы ударного воздействия на рельс колес с ползунами

3.3 Обнаружение некруглостей и ползунов на колесах

4. Моделирование неисправностей колесных пар в UМ

5. Неисправности пути

5.1 Дефекты рельсов, вызванные неисправностями подвижного состава

5.2 Расчет затрат по одиночной смене рельса

5.3 Потери, связанные с задержками поездов при смене рельса

6. Аттестация рабочего места оператора дефектоскопной тележки

6.1 Экспертиза условий труда

6.2 Понятие рабочего места при аттестации

6.3 Гигиеническая оценка условий труда

7. Обязанности оператора дефектоскопной тележки

Экспертиза дипломной работы на экологичность и безопасность

Заключение

Список литературы

Введение

Рельсы служат для движения по ним колёс подвижного состава в заданном направлении, непосредственно воспринимают нагрузки от колёс и передают их под рельсовым опорам. Колёса при движении по рельсам передают на них не только вертикальные силы, но и горизонтальные, которые создаются при влиянии подвижного состава на прямых, а при движении экипажей по кривым - вследствие жёсткой насадки колёс на оси и действия центробежной и центростремительной сил. Эти переменные вертикальные и горизонтальные силы, внецентренно и динамически прикладываемые к рельсу, вызывают его вибрацию, оседание на упругих опорах, изгиб в вертикальной и горизонтальной плоскостях, кручение, смятие, истирание, выкрашивание металла и смещение рельса по опорам или вместе с ними по балласту.

В то время как весь рельс работает на изгиб, головка его работает также на смятие и истирание и иногда даже, при недостаточной сопротивляемости высоким контактным давлениям, выкрашивается под непосредственным воздействием колёс подвижного состава. Поэтому в головке рельса сосредотачивают достаточное количество металла и обеспечивают её высокую сопротивляемость износу и большим контактным давлениям.

В современных условиях работы рельса необходимые вес рельса, его очертание, качество рельсовой стали и особенности изготовления рельсов находятся между собой в тесной взаимосвязи и прямо зависят от нагрузок на оси, скоростей движения и грузонапряжённости линии, на которой рельсы будут лежать. Чем больше колёсные нагрузки и чем больше скорости движения, т.е. чем больше колёсные динамические воздействия и чем выше грузонапряжённость линии и чем чаще нагрузки прикладываются к рельсам, тем при прочих равных условиях должны быть больше моменты инерции и моменты сопротивления рельсов, износостойкость и вязкость рельсового металла и его сопротивляемость (выносливость и временное сопротивление) общим и местным динамическим напряжениям (особенно контактным).

1. Взаимодействие пути и подвижного состава

Это - основополагающий физический процесс при движении вагонов, локомотивов и поездов по железным дорогам. Именно он во многом определяет такие важнейшие показатели, как нагрузка на ось, статическая нагрузка вагонов, масса и скорость движения составов, а также основу основ - безопасность движения поездов. Условия взаимодействия в системе "колесо-рельс" оказывают существенное влияние на сроки службы и организацию содержания основных устройств пути и подвижного состава, на эксплуатационные затраты железных дорог.

Путь и подвижной состав представляют собой единую механическую систему, составные части которой работают взаимозависимо и взаимосвязано.

Силы, которые передаются от колеса на рельс, в такой же мере действуют на колесо, а через него на другие элементы подвижного состава.

Если улучшить конструкцию вагона (например, снизить неподрессоренную массу или усовершенствовать рессорное подвешивание), то это приведет к снижению динамического воздействия на рельсы, шпалы, балласт, а также на колесные пары, подшипники, раму вагона и т.д. При улучшении содержания пути и, следовательно, его состояния уменьшаться силы подвижного состава и пути, а также напряжения во всех их элементах.

Вертикальные силы, передаваемые колесами экипажа рельсам при стоянке, называются статической нагрузкой. Величины этих нагрузок можно найти в технических паспортах экипажей или справочниках.

Динамические силы, действующие на путь, представляют собой алгебраическую сумму сил, каждая из которых вызвана определенным видом колебаний экипажа, силами веса, центробежными силами и т.п.

Для упрощения расчетов вертикальных динамических сил учитыва ли- только основные, наибольшие силы и пренебрегают остальными.

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 колебания ми 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.

Изучение вопросов взаимодействия пути и подвижного состава позволяет обосновано назначать нормы и допуски в их устройстве и содержании и, что особенно важно, определять условия безопасного движения поездов с большими скоростями.

Горизонтальные поперечные силы, направленные перпендикулярно оси пути, возникают в уровне поверхности катания колеса по рельсу и между гребнем колес и боковой поверхностью головок рельсов. Устой чивость и прочность рельса зависит от полной поперечной силы (боко вой), передаваемой ему колесом. Равнодействующая боковых сил от одной колесной пары называется рамной силой. Для случая, показанно го на рис. 1а.

Динамическая нагрузка от колеса передается на головку рельса по небольшой площадке. Площадь эллипса упругого контак та 1,2... 2,2 см². При внецентренном приложении нагрузки в зоне пе рехода головки в шейку рельса возникают напряжения концентрации (200…400 МПа при рельсах Р65), а в кромках подошвы -- напряже ния изгиба и кручения (100...300 МПа). Напряжения на деревянной шпале под металлической подкладкой бывают в пределах 1...3 МПа, на основной площадке земляного полотна -- 0,05...0,09 МПа, а при очень высоких осевых нагрузках и больших неровностях пути могут быть и больше (рис. 1, б).

Рис. 1 Схема передачи вертикальной нагрузки от колеса на основание пути

В этих расчетах необходимо учесть две особенности:

напряжения на основной площадке определяются от воздействия наиболее массового подвижного состава четырехосного грузового вагона с разрешенной нагрузкой до 240.. .250 кН/ось (доля локомотив ных осей составляет 0,03.. .0,05);

учитываются воздействия на основание не только расчетной, но и двух соседних с ней шпал.

Напряжение на основной площадке при толщине балластного слоя определяется как сумма трех составляющих -- напряжений от рас четной шпалы и от двух соседних.

Каждое из этих напряжений является функцией от напряжений в балласте под шпалой и толщины балласта (рис. 2)



Колеса являются одним из основных и наиболее нагруженных элементов ходовой части железнодорожного подвижного состава, непосредственно взаимодействуя с путем. 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 колеса, тем меньше будет контактный эллипс и тем больше контактные напряжения возникают в металле рельсов.

Колебания подвижного состава приносят много вреда. Они расстраивают путь, нарушают плавность хода, а иногда вызывают даже сход экипажа с рельсов. Колебания экипажа вызываются многими причинами. Главной причиной являются неровности пути, которые могут быть самыми различными по форме и размерам.

Виды и размах колебаний подвижного состава, их нарастание или затухание зависят от конструктивных особенностей подвижного состава и пути.

2. Дополнительные силы воздействия подвижного состава на путь

Действия подвижного состава на путь называются статическими и динамическими, а также центробежными, радиальными и центростремительными силами.

Статические силы возникают в том случае, когда подвижной состав стоит на пути и вес его через колеса производит давление на рельсы. От рельсов это вертикальное давление передается на подкладки на шпалы и далее на балласт и на земляное полотно.

Динамические силы возникают тогда, когда подвижной состав находится в движении. Здесь возникают горизонтальные силы, действующие на путь во все четыре стороны. Кроме вертикального воздействия от колес подвижного состава, путь воспринимает горизонтальные силы как в поперечном, так и в продольном направлениях. К поперечным горизонтальным силам относятся боковые нажатия и удары гребней колес о бок головки рельса, а так же силы, возникающие при проходе по кривым участкам пути. Горизонтальное поперечное воздействие колес на рельсы на прямых участках пути вызывается наличием конструктивного зазора между рабочей гранью гребней колес и внутренней гранью головки ходовых рельсов, а также работой тяговых двигателей, наличием неисправности, пути по уровню, боковых толчков, перекосов пути, углов на стыках, плохой рихтовки и другими явлениями, при которых колеса подвижного состава набегают то на один то на другой рельс, вследствие чего происходит бросание вагона из стороны в сторону. К продольным горизонтальным силам относятся силы трения и сцепления между бандажами колес и рельсами, которые при торможении и при трогании поезда с места стремятся переместить рельсы по направлению движения поезда или назад. Все вышеуказанные воздействия на путь движущихся поездов называются динамическими воздействиями.

Центробежные и радиальные силы возникают тогда, когда поезда следуют по кривой. Здесь создаются дополнительные горизонтальные силы, которые стремятся сместить подвижной состав в наружную сторону кривой. Кроме центробежной силы возникает радиальное давление, в следствие того, что передние по ходу поезда колеса, катящиеся по наружной нити кривой набегают своими гребнями на внутреннюю грань головки наружного рельса.

Наблюдениями установлено, что центробежная сила и радиальное давление зависят от радиуса кривой, веса вагона и скорости движения. Особенно существенное воздействие на путь оказывает скорость движения поезда, так как центробежная сила пропорциональна квадрату скорости. Величина радиального давления доходит до 0,5 - 0,8 величины нагрузки на колесо. Для того, чтобы разгрузить центробежную силу, которая вредно действует на путь и подвижной состав, необходимо в кривых участках пути делать возвышение наружного рельса над внутренним в зависимости от радиуса кривой и скорости движения. При разгрузке центробежной силы возвышением наружного рельса над внутренним создается центростремительная сила, которая дает подвижному составу самому создавать криволинейное направление. Это способствует меньшему износу рельсов наружной нити, уширению или сужению рельсовой колеи, уменьшению дефектов в элементах верхнего строения пути, созданию равномерного давления на подвижного состава на рельсовые нити в кривой, уменьшению подреза гребней колесных пар и горизонтальных поперечных усилий вагонов поезда.

Все вышесказанное о воздействии подвижного состава на путь на прямые и на кривых участках его от природных сил, а также от давлений колесных пар быстро движущихся поездов, действующих на все элементы верхнего строения пути, составляет то, что называется работой пути.

Контроль верхнего строения пути, конкретно, параметров рельсовой колеи, является главной составляющей общей диагностики железнодорожного пути как систематизированного метода определения и прогнозирования его технического состояния. Для оценки состояния колеи используются визуальный осмотр с измерениями ручным инструментом (путевым шаблоном, мерными линейками), путеизмерительные тележки и вагоны.

Наиболее универсальным и эффективным способом является проверка колеи вагоном-путеизмерителем, обеспечивающим измерения с нагрузкой на путь в движении со скоростью поезда и непрерывно на всем протяжении. Вагонами - путеизмерителями ведется контроль и проверка, наравне с основными параметрами устройства пути (положение в кривых, продольный профиль), а также видеоконтроль состояния балласта, шпал и т.д.

В результате расшифровки записей вагона-путеизмерителя выявляются виды отступлений от номинальных значений параметров и производится их оценка по четырем степеням, регламентированным в зависимости от установленных скоростей движения поездов (по принципу: чем выше установленная скорость, тем жестче нормы).

К I степени относятся отступления, не требующие работ по их устранению; фактически это не отступления, а норма (допуск) содержания пути и поэтому при расшифровке они не оцениваются.

Ко II степени относятся отступления, амплитуда которых незначительно ухудшает плавность хода подвижного состава, но также не требует снижения установленной скорости.

К III степени относятся отступления, уже заметно влияющие на плавность и комфортабельность движения, при не устранении их после обнаружения они могут за относительно короткий период до очередной проверки пути стать причиной интенсивного накопления остаточных деформаций рельсовой колеи и перерасти в отступления более высокой степени, вызывающие ограничение установленной скорости. Поэтому отступления III степени должны устраняться в плановом, но первоочередном порядке (в течение 2-3 дней после прохода путеизмерителя).

К IV степени относятся отступления, которые создают неблагоприятные условия для взаимодействия пути и подвижного состава и в отдельных случаях могут привести к нарушению безопасности движения. Поэтому любое отступление IV степени, независимо от количества, требует незамедлительного уменьшения скорости или даже закрытия движения поездов, и естественно, безотлагательного выполнения неотложных работ по его (их) устранению.

Качественная оценка состояния рельсовой колеи (отлично, хорошо, удовлетворительно, неудовлетворительно) на каждом километре определяется в зависимости от степени и числа обнаруженных на нем отступлений. В зависимости от качественной оценки каждый километр оценивается количественно соответствующим числом баллов: отличный километр - 10 баллов, хороший - 40 баллов, удовлетворительный - 150 баллов, неудовлетворительный - 500 баллов. После того как установлена качественная и количественная оценка каждого километра, рассчитывается общая средняя оценка в баллах по подразделениям дистанции пути.

3. Неисправности колесных пар, влияющие на состояние пути

Колесные пары являются самыми ответственными узлами, от исправности которых в первую очередь зависит безопасность движения на железных дорогах.

Они несут на себе массу всего вагона и груза, направляют движение его по рельсовому пути и воспринимают жесткие и разнообразные по направлению удары от неровностей пути. Поэтому за состоянием колесных пар установлено особо тщательное наблюдение.

От исправного состояния колесных пар зависит безопасность движения поездов.

Характерными неисправностями их являются: износ бандажей - прокат, выбоины или ползуны, подрез гребня; ослабление бандажа, колесного центра, зубчатого колеса; трещины, вмятины; трещины, риски, забоины, вмятины на шейках оси, вертикальный подрез и остроконечный накат гребня и др.

Выбоины или ползуны на поверхности катания бандажа образуются вследствие заклинивания колесных пар при неправильном торможении, разрушении роликовых подшипников, заклинивании зубчатой передачи. Выбоины (ползуны) колесных пар ухудшают динамические качества вагона и снижают долговечность пути и вагона.

Опасным для движения также является вертикальный подрез и остроконечный накат гребня, так как при этом может произойти накатывание колеса на остряк пера или разрез стрелки, что приведет к сходу вагона с рельсов. Вертикальный подрез гребня и остроконечный накат возникают при неправильной установке колесных пар в раме тележки или работе на участках с кривыми малого радиуса.

Наряду с определением линейных размеров элементов оси и колес проверяют правильность формирования колесной пары. Для этого измеряют:

- расстояние между внутренними гранями ободьев колес;

- расстояние между торцевыми поверхностями шеек оси и внутренними поверхностями ободьев колес левой и правой сторон и их разность;

- диаметры колес, насажанных на одну ось, и их разность.

Проверка первого размера необходима для предупреждения схода колесной пары с рельсов в кривой (при малом расстоянии между колесами) или предупреждения расстройств стрелочных переводов, подреза гребня и схода вагона с рельсов на стрелках (при больших расстояниях между колесами).

Проверка второго размера необходима для предупреждения интенсивного износа гребня колеса, галтели шейки, подшипников, пазов букс и буксовых направляющих, а также предупреждения ударов гребня в детали стрелочного перевода, которые могут вызвать преждевременный износ верхнего строения пути, выбоины, отколы колеса и сход вагона с рельсов.

Измерение диаметров колес, насажанных на одну ось, необходимо для обеспечения правильного расположения колесной пары в колее, поскольку при различных диаметрах колес увеличивается их проскальзывание и появляются перекосы колесной пары во время движения. В результате этого происходит неравномерный прокат поверхности катания колес, подрез гребня, износ других деталей ходовых частей и дополнительное скручивание оси. В конечном итоге это ведет к снижению надежности и долговечности работы вагона.

При перекосе колесной пары в раме происходит набегание на рельс гребня бандажа отстающего колеса и поперечное скольжение бандажа по рельсу. При движении происходит износ бандажей по кругу катания, называемый прокатом. На поверхности катания бандажей могут быть трещины, плены, раковины и выщербины. Под раковинами понимаются пороки металлургического происхождения в виде неметаллических включений (песка, шлака) внутри металла и пустот от усадки металла при неравномерном остывании, выходящих на поверхность катания колеса по мере его износа.

Исходя из спецификации неисправностями колесных пар, влияющих на состояние пути, являются выщербины и ползуны.

3.1 Выщербины

Кратковременный юз колесной пары, заторможенной колодками, имеющими низкую теплопроводность, приводит к быстрому, локальному нагреву активных поверхностных слоев выше критической точки и мгновенному охлаждению за счет теплоотвода в обод колеса с образованием мартенсита трения. Такой слой весьма неоднороден по структуре и свойствам, легко выкрашивается, образуя выщербины (рис. 3).

Выщербины - это выкрашивание кусочков металла на поверхности катания колеса.

Рис. 3. Выщербина тормозного происхождения

Выщербины различают по причинам возникновения. Одни выщербины развиваются по следам ползунов, светлым пятнам и «наварам». Они появляются из-за структурных изменений металла, возникают в результате образования микротрещин, особенно характерных для отбеленного слоя. Глубина таких выщербин редко достигает 3 мм. Другие выщербины являются следствием усталостных поверхностных разрушений, а также развития небольших усталостных трещин с последующим отслоением или отрывом кусочков металла. Усталостные трещины образуются под действием долговременных многократно повторяющихся контактных нагрузок. Внутри усталостных выщербин часто бывают трещины, идущие в глубину под острым углом к поверхности катания. Глубина выщербин может доходить до 15--20 мм. Возникают выщербины также из-за выкрашивания поперечных термотрещин, возникающих вследствие нагрева колес тормозными колодками.

3.2 Ползуны

Ползун - локальный износ колеса, кото рый характеризуется образованием плоской площадки на поверхности катания (рис. 4). Ползун количественно оценивается глубиной, которая определяется разностью измерений износа в двух местах - на ползуне и рядом с ним.

Рисунок 4. Ползуны на поверхности катания колеса.

3.2.1 Причины возникновения ползунов

Ползун образует ся при заклинивании колесной пары и движении ее юзом, о чем свидетельствует сноп искр из-под колеса (рис. 5).



Рисунок 5. Трение о рельс заклиненной колесной пары (движение ее юзом).

Ползун возникает при движении колеса по рельсу юзом в зоне контакта их в результате комплексного влияния явлений схватывания, интенсивной пластической деформации и разогрева места контакта до высоких температур. Быстрое охлаждение разогретого места приводит, как правило, к образованию закалочных структур металла в районе ползуна. В процессе торможения на верхние слои металла поверхности катания колеса действуют большие касательные усилия и циклические температурные нагрузки от нагрева поверхности обода при контакте с тормозной колодкой или с рельсом при интенсивном проскальзывании колеса по нему. Высокий нагрев верхних слоев и быстрое охлаждение их при выходе из зоны контакта приводят к структурным изменениям металла на поверхности катания ко леса. Небольшие ползуны - лыски возни кают при кратковременном юзе. Основными причинами заклинивания колесных пар тормозными колодками, приводящими к юзу, являются неисправности тормозных приборов, неправильное управление тормозами, изменение взаимного соотношения коэффициентов трения тормозной колодки о колесо и сцепления колеса с рельсом, климатические особенности, времена года эксплуатации и др. В зимних условиях эксплуатации ползунов образуется значительно больше, чем в летних. Ползуны могут быть на обоих колесах колесной пары или на одном из них. В первом случае они образуются при скольжении колесной пары, заклиненной тормозом вагона, а во втором - в результате торможения вагона съемным башмаком на сортировочной горке.

3.2.2 Размеры ползунов и скорости движения поездов с ползунами

К эксплуатации не допускаются ползуны глубиной более 2 мм у колесных пар с подшипниками скольжения и более 1 мм у колесных пар с подшипниками качения (см. таб. 1). С про межуточной станции вагон с ползуном колесной пары глуби ной от 1 до 2 мм может следовать в грузовом поезде со скоростью до 70 км/ч, в пассажирском - до 100 км/ч без отцепки до ближайшего пункта для смены колесных пар; вагон с ползуном от 2 до 6 мм - со скоростью не более 15 км/ч, с ползуном свыше 6 до 12 мм - не более 10 км/ч, а с ползу ном глубиной 12 мм и более - с такой же скоростью при условии вывешивания или исключения возможности вращения колесной пары (с применением тормозных башмаков или ручного тормоза).

Таблица 1. Размеры ползунов и скорости движения с ползунами.

Размер ползуна	до 1 мм	от 1 до 2 мм	от 2 до 6 мм	от 6 до 12 мм	12 мм и более
Разрешенная скорость движения в поезде	Без ограничения	пасс. до 100 км/ч груз. до 70 км/ч	Не более 15 км/ч	Не более 10 км/ч	Не более 10 км/ч (колесо не вращается)

3.2.3 Какую опасность представляют ползуны для пути

Ползуны во время движения вагона вызывают толчки и удары, которые приводят к расстройству, повреждению или разрушению верхнего строения пути (трещины и изломы рельсов). Колесо с ползуном легко обнаружить, встречая поезд с ходу, по ритмичным ударам о рельсы. При наличии таких дефектов, при качении колес по рельсам возникают повторяющиеся ударные нагрузки большой интенсивности, воздействие которых усугубляется ввиду высокой жесткости контактирующих поверхностей. Ползуны вызывают сильные удары колеса об рельс, причем, чем больше длина ползуна и чем выше при этом скорость движения поезда, тем выше сила удара (таб. 2).

В зависимости от скорости движения и от величины ползуна можно сделать примерный расчет силы удара колеса по рельсу.

3.2.4 Силы ударного воздействия на рельс колес с ползунами

Определение сил ударного воздейст вия на рельс колес с ползунами или при проходе колесами рельсовых стыков является сложной задачей; точное решение затруднительно. Для ряда случаев имеются прибли женные решения. Наи более эффективный прием -- это со четание специально поставленных эк спериментов и теоретических пред посылок для расчета.

В экспериментах, при которых одно предварительно поднятое над рельсом колесо колесной пары сво бодно сбрасывали, было выяснено, что удар сопряжен с отскоками, а это приводит к серии затухающих соударений. В опытах продолжитель ность первого соударения цельно катаного колеса с рельсом типа Р65 на пути с щебеночным балластом со ставляла примерно (0,40 ч- 0,44)10^_3с при деревянных шпалах и (0,32 - 0,36) 10^-4 с при железобетонных шпалах. Продолжительность соуда рения при железобетонных шпалах оказалась приблизительно в 12,5 ра за меньше, чем при деревянных. При деревянных шпалах в первом соуда рении в период нарастания силы удара участвовали лишь 0,4 общей массы обода и некоторая часть массы диска колеса и рельс на длине око ло 1,5 м. При железобетонных шпа лах и деревянных прокладках уча ствующие в соударении массы ока зались примерно в 1,5 раза меньше и составили 0,25 общей массы обода (с соответствующей частью массы ди ска) колеса и рельс на длине около 1 м. В период нарастания первого соударения ни буксовой узел колеса, ни подкладки, ни шпалы не участ вовали в соударении; они вовлека лись в него лишь в последующем. Масса рельса по его поперечному се чению под грузом участвовала в со ударении неравномерно. Ускорения в подошве рельса составляли 0,4 -- 0,7 ускорений в головке. В после дующий период соударения участ вующие в нем массы увеличивались.

Исходя из указанных значений можно приближенно определить приведенные сосредоточенные мас сы М_к колеса и М_п пути, эквива лентные по воздействию фактически действующим массам, участвовав шим к концу нарастания силы в первом соударении. Полагая, что к указанному моменту в соударении примет участие 0,4 массы всего ко леса на пути с деревянными шпалами или (приближенно) с железобетон ными шпалами с прокладками по вышенной упругости и 0,25 массы колеса при железобетонных шпалах с деревянными прокладками, и учи тывая неравномерность участия в ударе этой массы по сечению колеса, можно приведенную эквивалентную массу М_к принять равной 0,5 n всей массы т_к-₁ одного колеса (а не всей необрессоренной массы, приходя щейся на одно колесо); здесь n -- доля участия массы колеса к концу нарастания силы в первом соударе нии. В этот же момент участвует в колебании часть рельса длиной l_р. Ввиду неравномерности участия мас сы рельса по сечению можно считать коэффициент эквивалентности рав ным (1,0 + 0,6) : 2 = 0,8 и подли не -- 0,5, а в целом 0,8-0,5 =0,4. Вес рельса обозначим q_p, массу - m_p.

Рис. 6 Взаимодействие масс колеса и пути

Таким образом, М_к = 0,5nm_к_ =0,5 nqk-1/g (а) (1)

М_п = 0,4 l_p m _р =0,4 l_p q _р /g (^б)

При деревянных шпалах и приб лиженно при железобетонных с прокладками повышенной упругости n =0,4 и l_p = 1,5 м, при железобетон ных шпалах и деревянных проклад ках n = 0,25 и l_р = 1 м.

Определение силы удара R_yд с разной степенью точности и при раз личных допущениях приведено в ря де работ. Сближение сосредоточенных масс М_к и М_п вы зывает упругое сопротивление на контакте этому сближению, которое оценивается контактной жесткостью колеса и рельса. Численно она равна силе, вызывающей сближение со средоточенных масс М_к и М_п. Кон тактная жесткость переменна; чем больше сближение, тем больше кон тактная жесткость. Однако расчет силы удара при переменной жест кости существенно осложняется. По этому обычно принимают контакт ную жесткость ж_к постоянной, со ответствующей последнему моменту нарастания силы в первом соударе нии. Прибли женно ж_к = (5 ч- 10)10" Н/см.

Жесткость рессорных комплектов в сотни раз меньше контактной жест кости ж_к и во много раз меньше жесткости пути; влияние обрессоренных масс на силу удара ничтожно. В связи с этим при приближенном расчете обрессоренные массы не учи тываются.

Массы М_к и М_п взаимодействуют при наличии между ними упругого сжатия при ударе, которое имити руется на расчетной схеме (рис. 6) фиктивной контактной пружиной с жесткостью ж_к. Упру гость пути, приведенной эквива лентной массой которой является М_а, имитируется пружиной с жесткостью ж_п. При расчете на удар упругими сопротивлениями пренебрегают. Бу дем считать удар центральным. На рис.8 показаны два положения масс до деформации и в какой-то мо мент деформации, когда массы М_к и М_п сблизились на величину у_к за счет сжатия контактной пружины. Масса М_п опустилась на у_п за счет упругого сжатия путевой пружины, а масса М_к опустилась на величину У_к+У_п.

Составим дифференциальное урав нение динамического равновесия массы М_к на контактной пружине, имея в виду, как обычно, что силы инерции и сопротивление контактной пружины являются реактивными; внешние силы в данном случае от сутствуют. Аналогично составим дифференциальное уравнение дина мического равновесия для массы М_п, для которой внешней силой является давление контактной пружины, а ре активными -- сила инерции движу щейся массы М_п и сжатие путевой пружины. Сила удара R_уд численно равна силе инерции М_к(у_к + у_n).

Тог да

М_к (у_к + 'у_п)+ж_ку_к = 0 (а)

Мпуп+жпуп=жкук (б) (2)

R уд = Мк (ук + уп)= -- жкук. (в)

Из уравнения (6) у_п = ж_ку_к - ж_пу_{п /} М_п .

Ввиду того что подрельсовое ос нование в период нарастания силы в первом соударении согласно опи санному эксперименту участвует ог раниченно, для приближенного ре шения примем в уравнении у_п = 0. Тогда

Ук = У к--max ^sln (Сt + 0)

Найдем параметры 0 и у/_K__max. При t = 0 должно быть у_к=0, поэтому 0 =0. В этот же момент t =0 скорость у_к вертикального перемещения массы М_к должна равняться вертикальной составляющей у_в скорости падения массы М_к в момент встречи ее с массой М_п. Таким образом, при t= 0 должно быть Ук= Ук-тах С ^cos Сt =.Ук-max C = V_B.

Отсюда Ук-тах = V_B/ C, следова тельно, Ук=V_B/ sin Ct

Подставляя это значение у_к в фор мулу (2), получим:

R уд = V_{B / c}ж_к sin Ct (3)

При выводе приближенной формулы (3) было опущено влияние жест кости подрельсового основания. Меж ду тем из упомянутого выше экспе римента видно, что ускорение в пе риод нарастания силы удара в пер вом соударении полностью в попереч ном сечении не гасится и составляет на подошве рельса 40--70 % значе ния ускорения в головке рельса. Это свидетельствует о том, что под рельсовое основание участвует в со ударении в этот период. Мало того, исследования силы удара при изме рении ее на шейке рельса пока зали влияние на силу удара жест кости основания. В связи с этим вве дем в формулу влияние жесткости подрельсового основания.

Значение коэффициента, следует найти исходя из опытных данных. Так как в эксперименте сила удара измерялась на шейке рельса, то при определении из этого эксперимента значения следует иметь в виду, что по формуле (3) находится сила удара, отнесенная к шейке рельса. Сила удара на контакте колеса и рельса, очевидно, должна быть боль ше.

Скорость у_в в момент удара колеса, имеющего ползун, об рельс рекомендуется опреде лять по формуле

v_B = а/rкv. (4)

Здесь v -- поступательная (окруж ная) скорость движения колеса, имеющего радиус г_к и длину ползу на а. Формула (4) дает завы шенное значение v_B, и ею можно пользоваться только для грубо при- кидочных расчетов. Существенно бо лее точный расчет скорости v_B ука зан ниже.

Рис. 7 Положения отрыва колеса от рельса.

После того как катящееся колесо займет положение (рис.7) оно теряет связь с рельсом (это обычно наступает при скоростях дви жения свыше 40--50 км/ч). Продол жая вращаться и поступательно дви гаться, оно начнет падать под влия нием силы тяжести и переменного давления рессоры. Колесо к моменту отрыва от рельса взаимодействовало с ним силой Р₀. После отрыва (поло жение II) колесо начинает падать с ускорением z, рессора расправляется на величину г, сила Р₀ уменьшается на величину ж_рг. Поэтому дифферен циальное уравнение динамического равновесия колеса будет

или ,

Здесь ж_рz-- частота собствен ных колебаний колеса на рессоре. Это дифференциальное уравнение от личается от уравнения на личием в правой части свободного члена (Р₀ : т_к). Решая это урав нение и имея в виду, что его частное

и что при t =0 должно быть Z = 0.

Рельс, не прижимаемый колесом после его отрыва, начнет поднимать ся вверх навстречу падающему коле су, и происходит удар, после кото рого вновь может быть нарушен кон такт между колесом и рельсом и нач нутся колебания. Скорость подня тия рельса определяется из диффе ренциального уравнения верти кального перемещения рельса в точ ке контакта с колесом после отрыва последнего. До отрыва колеса рельс под ним имел прогиб у = у₀. Будем считать, что этот прогиб сохранится в начальный момент отрыва. После отрыва колеса рельс поднимается вверх, преодолевая силу инерции т_пу массы пути mп участвовавшей во взаимодействии колеса и пути до удара и принимаемой по-прежнему сосредоточенной и приведенной к точке A бывшего контакта колеса и рельса, и силу неупругого сопротив ления f_ny. Таким образом, в любой момент времени после отрыва колеса от рельса

(5)

Из условий, что при t = 0 должно быть у = у₀ и у = 0, находятся зна чения а и б.

Удар происходит в точке В (поло жение 111 на рис.7). Поэтому именно в этой точке необходимо опре делить значение и скорость верти кального перемещения рельса. Про гиб в точке В в момент опирания ко леса на рельс в точке А (до отрыва, положение I на рис.7) меньше, чем прогиб в точке А. Поэтому в вы ражение для у надо вместо у0 (через которое будет выражаться у) ввести меньшее значение, равное х\у₀.

Вертикальное перемещение точки В на колесе происходит вследствие вращения колеса и его падения после отрыва от рельса. Текущая ордината точки В на колесе Y_H = r_Kcos(2а -wkt)+z

Текущая ордината рельса в точке встречи его с колесом при ударе У_к = r_к -- (у₀ -- У). Здесь у₀ -- прогиб рельса в точке А в начальный мо мент отрыва колеса от рельса (поло жение 1 на рис.7) и у -- теку щий прогиб рельса в точке В встре чи его с колесом при ударе (положе ние III).

При встрече колеса с рельсом Yк= Y_п. Из этого уравнения находится время t = t₀, по истечении которого после отрыва колеса от рельса в точ ке А оно вновь встретится с ним в точке В (положения / и III на рис.7). Таким образом, с уче том того, что у₀ = Р0 : ж_п,, при .

В момент первого удара (положе ние III на рис.7) центр колеса имеет по горизонтали поступатель ную скорость у и по вертикали v₀, при t=t_n. Кроме того, на ползуне точка В, которой колесо непосред ственно ударяет в рельс, имеет вслед ствие вращения колеса поступатель ную скорость и; ее вертикальная со ставляющая v_B = v sin (2a -- w_кt₀). Ско рость у_п вертикального перемещения рельса в точке В в момент удара (положение III) равна у при t = t₀.

(6)

Таблица 2. Зависимость силы удара колеса по рельсу от скорости движения поезда и величины ползуна.

скорость, км/ч	длина ползуна, м	радиус колеса, м	модуль упругости (170-200 МН/м)	жесткость пути (40-200) МН/м	сила удара, кН
10	0,21	0,49	170	40	144,1984223
20	0,21	0,49	170	40	288,3968446
30	0,21	0,49	170	40	432,5952669
40	0,21	0,49	170	40	576,7936893
50	0,21	0,49	170	40	720,9921116
скорость, км/ч	длина ползуна, м	радиус колеса, м	модуль упругости (170-200 МН/м)	жесткость пути (40-200) МН/м	сила удара, кН
10	0,15	0,49	170	40	102,9988731
20	0,15	0,49	170	40	205,9977462
30	0,15	0,49	170	40	308,9966192
40	0,15	0,49	170	40	411,9954923
50	0,15	0,49	170	40	514,9943654
скорость, км/ч	длина ползуна, м	радиус колеса, м	модуль упругости (170-200 МН/м)	жесткость пути (40-200) МН/м	сила удара, кН
10	0,12	0,49	170	40	82,39909846
20	0,12	0,49	170	40	164,7981969
30	0,12	0,49	170	40	247,1972954
40	0,12	0,49	170	40	329,5963939
50	0,12	0,49	170	40	411,9954923
скорость, км/ч	длина ползуна, м	радиус колеса, м	модуль упругости (170-200 МН/м)	жесткость пути (40-200) МН/м	сила удара, кН
10	0,085	0,49	170	40	58,36602808
20	0,085	0,49	170	40	116,7320562
30	0,085	0,49	170	40	175,0980842
40	0,085	0,49	170	40	233,4641123
50	0,085	0,49	170	40	291,8301404
скорость, км/ч	длина ползуна, м	радиус колеса, м	модуль упругости (170-200 МН/м)	жесткость пути (40-200) МН/м	сила удара, кН
10	0,06	0,49	170	40	41,19954923
20	0,06	0,49	170	40	82,39909846
30	0,06	0,49	170	40	123,5986477
40	0,06	0,49	170	40	164,7981969
50	0,06	0,49	170	40	205,9977462
скорость, км/ч	длина ползуна, м	радиус колеса, м	модуль упругости (170-200 МН/м)	жесткость пути (40-200) МН/м	сила удара, кН
10	0,05	0,49	170	40	34,33295769
20	0,05	0,49	170	40	68,66591539
30	0,05	0,49	170	40	102,9988731
40	0,05	0,49	170	40	137,3318308
50	0,05	0,49	170	40	171,6647885

Эти нагрузки характеризуются величиной в несколько сотен килоньютонов, ускорениями до 90 g и частотой до 1 кГц. Пороговые параметры ползунов для изъятия дефектных колес из эксплуатации зависят в основном от экономических факторов: слишком раннее изъятие для восстановления профиля поверхности катания уменьшает срок службы колес, слишком позднее уменьшает срок службы рельсов и связано с риском тяжелых аварий. Ползуны угрожают безопасности движения поездов и приводят к увеличению опасности схода с рельсов.

Рисунок 8. Сход колесной пары с рельсов.

3.3 Обнаружение некруглостей и ползунов на колесах

Контроль колес с целью обнаружения некруглостей и ползунов является основным условием обеспечения безопасности движения. Некруглость колеса может стать причиной повреждения пути (трещины и изломы рельсов) или ходовой части подвижного состава, снижения плавности хода и увеличения опасности схода с рельсов.

Главным параметром, измеряемым этим модулем, является отклонение от нормы высоты гребня. Во многих случаях оно может быть мерой некруглости колеса и изменения его круга катания. Если принять, что окружность вершины гребня является идеальной и концентричной относительно оси вращения, то отклонение от нормы высоты гребня идентично отклонению круга катания от идеальной окружности и несет в себе информацию о величине некруглостей и глубине ползунов. Поскольку вершина гребня не изнашивается, а колесные пары регулярно обтачиваются, указанное допущение в общем правомерно.

Рис. 9 Определение высоты гребня с помощью измерительной балки.

Принцип измерения механический. Используется измерительная балка (рис. 9), опусканию которой при нажатии на нее вершины гребня противодействует давление сжатого воздуха. Вертикальный ход балки при качении колеса измеряется с помощью электромеханического датчика. Сигнал с датчика передается в ЭВМ модуля, где он обрабатывается и регистрируется как изменение хода балки минимум за один оборот колеса. На заключительном этапе измеренные величины пересчитываются для условий, когда измерительная балка и рельсы идеально ровные. Таким образом, колебания измеренных величин будут отражать только изменения высоты гребня колеса. По кривой изменения высоты гребня за один оборот определяют наличие некруглости или ползуна (рис. 10).

Рис. 10. Измерение высоты гребня колеса поезда по кругу:

Sh - высота гребня; l - развёртка колеса по вершине гребня.

Указанная кривая используется также для обнаружения полигонизации колес, т. е. тенденции к превращению круга катания в многоугольник. Эта информация важна для оценки степени некруглости колес. Многоугольник в процессе качения колеса может генерировать колебания такой частоты, которая соответствует собственным частотам тележек или кузова, поэтому во избежание возможных резонансов форма круга катания должна быть приведена в норму.

Ошибка при измерении глубины ползунов или величины некруглостей не превышает 0,2 мм.

4. Моделирование ползуна с использованием «Универсального механизма»

Проанализировано влияние характеристик подвижного состава, скорости его движения и параметров ползуна на величину контактных сил.

В настоящее время проблема ползунов на Российских железных дорогах не только не уменьшилась, но существенно увеличилась. Для пассажирских вагонов ползуны стали массовым явлением. Очевидно, что основная причина возникновения ползунов заключается в нарушении режима пользования автотормозами, а также в неисправностях самой тормозной системы. Следует отметить, что указанная проблема является особенностью не только Российских железных дорог, но носит международный характер. На железных дорогах для диагностики различных дефектов колесных пар используются различного типа диагностические системы.

Рассматривается динамическое воздействие этого достаточно распространенного дефекта, как на путь, так и на экипаж.

Какова может быть глубина ползунов? Приводится пример возникновения ползуна глубиной 30 мм. Очевидно, что это совершенно исключительный случай, связанный с заклиниванием колесной пары. Тем не менее, ползуны глубиной более 1 мм являются рядовым явлением. Очевидно, что эксплуатация колес с такими дефектами недопустима, но, к сожалению, происходит повсеместно.

На железных дорогах и, соответственно вопрос о предельной глубине ползуна не является таким однозначным. Если для локомотивов согласно, инструкции, предельной является глубина ползуна 1 мм, то для вагонов с подшипниками скольжения допускаются ползуны глубиной 2 мм. Еще более сложным является вопр...