Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов исследования причин износа гребней колесных пар локомотивов в кривых 12
1.1. Постановка задачи 12
1.2. Исследование проблемы взаимодействия с рельсами колесных пар локомотивов в переходных и круговых кривых малого радиуса 13
1.3. Мероприятия по снижению бокового износа гребней колес локомотивов и рельсов в кривых 19
1.4. Цели и задачи исследования 22
2. Теоретическое исследование движения тележек электровозов 20 - 20 - 20 в переходных и круговых кривых малого радиуса . 23
2.1 Постановка задачи 23
2.2. Геометрия переходной кривой и системы координат, выбранные для исследования движения электровоза 24
2.3. Определение углов между продольной осью кузова и касательными в мнимых шкворневых узлах 28
2.4. Определение углов между продольной осью кузова и осью автосцепки 31
2.5. Определение сил, действующих на кузов секции электровоза в переходной кривой 34
2.6. Определение активных и инерционных сил, действующих на тележки секции электровоза 43
2.7. Определение сил в зоне контакта "колесо-рельс" 48
2.8. Определение законов изменения обобщенных координат тележки в переходной кривой до момента касания гребнем наружного рельса... 58
2.9. Определение закона изменения обобщенной координаты тележки после касания гребнем наружного рельса переходной кривой 63
2.10 Определение закона изменения силы нормального давления гребня колеса на рельс 76
2.11 Определение закона изменения угла перекоса тележки, и силы давления гребня на рельс при движении в круговой кривой 77
3. Численный анализ факторов, влияющих на интенсивность износа гребней локомотивных колес при движении в кривых малого радиуса 80
3.1. Постановка задачи 80
3.2. Анализ процесса разворота тележек в рельсовой колее переходной кривой 84
3.3. Определение закона изменения разворачивающего момента в переходной кривой 97
3.4. Влияние различных факторов на силу нормального давления гребня колеса на рельс в обычных условиях эксплуатации 100
4. Экспериментальная проверка результатов теоретических исследований движения тележек электровоза ЭП 1 в переходных и круговых кривых малого радиуса 105
4.1. Постановка задачи 105
4.2. Описание регистрирующей системы и проведение эксперимента 107
4.3. Обработка экспериментальных данных и методика регистрации положения локомотивных тележек в кривой 112
5. Устройство для автоматического управления тележками в кривых участках пути 118
5.1. Постановка задачи 118
5.2. Анализ устройств разворота тележек, принятых в качестве аналога... 119
5.3. Техническая сущность предлагаемого устройства автоматического управления тележками 121
6. Технико - экономически оценка внедрения на электровозах устройства автоматического управления тележками в кривых участках пути 130
6.1. Постановка задачи 130
6.2. Расчет экономии эксплуатационных расходов от использования электровозов с устройством автоматического управления тележками 132
6.3. Определение влияния сокращения времени простоя в ремонте на производительность электровоза 134
6.4. Расчет величины полезного экономического эффекта 135
6.5. Расчет интегрального экономического эффекта и срока окупаемости затрат 137
6.6. Расчет индекса доходности и внутренней нормы доходности 138
Основные выводы 143
Список литературы 146
- Исследование проблемы взаимодействия с рельсами колесных пар локомотивов в переходных и круговых кривых малого радиуса
- Определение углов между продольной осью кузова и осью автосцепки
- Анализ процесса разворота тележек в рельсовой колее переходной кривой
- Описание регистрирующей системы и проведение эксперимента
Введение к работе
Для Российских железных дорог проблема бокового износа рельсов и гребней колесных пар подвижного состава особенно важна, поскольку эти отказы стали серьезно прогрессировать с 1985 года и сейчас занимают "ведущее место" среди других технических отказов колесных пар и рельсов. Особо высокий уровень интенсивности бокового износа гребней колес имеет место на железных дорогах с большим количеством кривых участков пути малого радиуса. К таким дорогам в первую очередь относятся Забайкальская (ЗабЖД), Дальневосточная (ДВЖД), Восточно - Сибирская железные дороги (ВСжд).
Анализ профиля Дальневосточной железной дороги показал, что 41% составляют кривые от общей длины главных путей, 10% - кривые радиусом 300 м и менее. Наиболее интенсивный износ гребней колес и рельсов отмечался на участках Архара - Вира, Уссурийск - Владивосток, Угловая - Находка, Комсомольск - Советская гавань, которые имеют протяженность кривых от 45 % до 54 %, среди них кривые малого радиуса составляют более половины.
Эксплуатация электровозов на участках дорог с кривыми малого радиуса показала, что вписывание их в такие кривые сопряжено с повышением интенсивности бокового износа гребней колесных пар. В результате требуются значительные затраты дополнительных средств на поддержание тягового подвижного состава и верхнего строения пути в технически исправном состоянии.
Сложившаяся обстановка на железных дорогах, связанная с интенсивным износом гребней колес и рельсов, говорит о том, что эта проблема является актуальной в настоящее время. Возникла необходимость разобраться в том, какие причины привели к такому положению с износом рельсов и гребней колес, и какие практические меры следует принимать для ликвидации этой по существу критической ситуации.
Проблема интенсивного износа гребней колес и рельсов существует давно.
Известны исследования, выполненные 30-40 лет назад С. М. Андриевским, В. Н. Шестаковым, Т. К. Голутвиной, Л. П. Мелентьевым, а за рубежом X. Хейма-ном, Фредериксом, Шпехтом и другими.
В 1989 году в ХабИИЖТе под руководством профессора В.Г. Григоренко были начаты многосторонние исследования причин повышенного бокового износа рельсов и гребней колес подвижного состава эксплуатируемого на Дальневосточной и Забайкальской железных дорогах.
Проведенные поездки с динамометрическим вагоном на Читинском отделении ЗабЖД и на участке Смоляниново - Находка ДВЖД свидетельствовали о том, что электровозы в тот период эксплуатировались в интенсивном режиме, граничащим с недопустимым. Одновременно при прохождении кривых малого радиуса фиксировалось увеличение направляющих усилий, передаваемых рельсом гребню набегающего колеса, что нашло отражение в резком увеличении бокового износа головок наружных рельсов и гребней колес подвижного состава. Исходя из этого, в исследованиях, в первую очередь ставилась задача изучить влияние условий работы и режимов эксплуатации подвижного состава на процессы бокового износа гребней колес. Были установлены причинно - следственные связи между изменениями параметров поездной работы электровозов ВЛ80 и интенсивностью бокового износа рельсов и гребней колес в кривых малого радиуса. В этом направлении известны работы В. В. Широглазова, С. В. Доронина и А. Е. Стецюка.
В последние годы локомотивный парк ДВЖД пополнился новыми локомотивами серии ЭП 1. Возникла необходимость исследования интенсивности износа гребней колесных пар этих локомотивов, так как их вписывание в кривые малого радиуса имеет ряд особенностей, в связи с тем, что экипажная часть электровозов ЭП 1, и подобных ему ВЛ 85, ВЛ 65, отличается от электровозов ВЛ 80, которые до недавнего времени составляли основу локомотивного парка ДВЖД. Основные отличия заключаются в том, что новый локомотив имеет три двухосные тележки под одним кузовом и вместо шкворневого узла для передачи продольных сил на электровозе ЭП 1 применены наклонные тяги.
Уже за короткий срок эксплуатации, интенсивность износа гребней колес некоторых электровозов ЭП 1 достигла 0,8 - 0,9 мм на 104 км пробега, что превышает в два раза нормативную величину. Потребовалось установить, какие причины привели к такому положению с износом гребней колес и какие практические меры следует принимать для ликвидации этой ситуации.
Выполненные ранее для электровоза ВЛ 80 теоретические и экспериментальные исследования причин износа гребней колес, для локомотивов ЭП 1 соответствуют не в полной мере. Математическая модель вписывания электровозов ВЛ 80 в кривые малого радиуса, позволяла качественно оценить влияние режимов эксплуатации на износ гребней колес для условий движения в круговых кривых. Как известно, кривые участки пути состоят не только из круговых, но и из переходных кривых. Для последних, указанную математическую модель использовать нельзя.
Исследованию движения подвижного состава в переходных кривых посвящены работы О. П. Ершкова, Ю. С. Ромена, В. М. Панского, Г. П. Бурчака, М. А. Фришмана, за рубежом - Т. Мюллера, А. Де Патера и других.
В перечисленных работах математические модели движения подвижного состава в кривых ориентированы на определение параметров движения в целом и не позволяют делать качественные оценки влияния конкретных факторов на процесс износа колес и рельсов. Для достижения этой цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
Проведение анализа известных методов исследования причин износа гребней колесных пар локомотивов и определение цели дальнейшего исследования;
Теоретическое исследование процесса движения электровоза с осевой формулой 2о - 2о - 2о в переходных и круговых кривых. А именно, разработка математической модели, позволяющей определять силы, действующие на кузов, тележки электровоза, силы на кругах катания колес, силу давления гребня колеса на рельс в зависимости от параметров переходной кривой, от параметров упругого проскальзывания колес, от геометрических, массовых и динамических параметров электровоза. Разработка программного обеспечения расчетов;
Проведение численного анализа влияния на силу нормального давления гребня колеса на рельс, а следовательно и на критерий износа, параметров движения электровоза и параметров пути для определения путей снижения износа;
Проведение экспериментальных исследований условий вписывания новых электровозов в переходные и круговые кривые, с целью подтверждения теоретических выводов и оценки адекватности математической модели реально происходящему процессу;
Разработка устройства для управления тележками электровоза, позволяющего снизить интенсивность бокового износа рельсов и гребней колес за счет принудительного удержания тележек в хордовом положении.
Объектом исследования является процесс движения подвижного состава по кривым малого радиуса, который порождает проблему бокового износа рельсов и гребней колесных пар. Предметом исследования в диссертационной работе является электровоз с тремя двухосными тележками, движущийся в переходных кривых.
Для решения поставленных задач использованы методы аналитической механики описания движения сложных механических систем, численные методы решения систем нелинейных алгебраических уравнений, методы интегрирования дифференциальных уравнений; при проведении экспериментальных исследований использовались методы планирования эксперимента.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Создана математическая модель движения электровоза с осевой формулой 2о - 2о - 2о в криволинейных участках пути малого радиуса, позволяющая получить закономерности изменения угла перекоса локомотивной тележки и силы нормального давления гребня колеса на рельс при движении по переходным кривым. В математической модели впервые учтено: влияние наклонной тяги на процесс разворота тележки в рельсовой колее; особенности экипажной части имеющей три двухосные тележки под одним кузовом; изменение расстояния между контактными точками колес одной колесной пары при развороте и поперечном смещении тележки в рельсовой колее; "забегание" точки контакта гребня колеса с рельсом, относительно соответствующей точки на круге катания, при определении силы давления гребня.
Рассмотрена впервые кинематика тележек локомотива в переходной кривой с определением законов изменения углов между касательными, проведенными к центру тяжести тележки, и продольной осью кузова.
Исследованы переходные процессы движения локомотивной тележки при входе в переходную кривую с определением промежутка времени от момента входа до момента прижатия гребня колеса к наружному рельсу и переходные процессы при переходе в круговую кривую.
Получено аналитическое выражение изменения разворотного момента в переходной кривой, на основе которого разработано устройство для разворота тележек.
Разработанная математическая модель является универсальной, так как ее можно применять не только для условий движения электровозов в переходных кривых, но и для круговых кривых.
Практическая значимость работы:
1. Установлено, что при входе в переходную кривую на первых метрах происходит прижатие гребня набегающего колеса к наружному рельсу и обратного отрыва не наблюдается. Угол перекоса тележки при движении в переходной кривой после прижатия гребня к рельсу плавно возрастает, не достигая макси- мального значения. Сила нормального давления гребня на рельс увеличивается с увеличением угла перекоса тележки. В круговой кривой угол перекоса тележки не возрастает до максимального значения, определяемого базой тележки и шириной рельсовой колеи. Тележка в круговой кривой движется в перекошенном положении, с постоянным углом перекоса, меньшим его максимального значения.
Влияние наклонных тяг несущественно сказывается на процесс перекоса тележки и на силу давления гребня.
Для трех тележечного экипажа установлено, что по мере удаления тележек от головы электровоза сила давления гребня набегающего колеса на рельс увеличивается.
Для решения проблемы бокового износа рельсов и гребней колес электровозов создано устройство для автоматического управления тележками в кривых участках пути. Применение устройства на локомотивах позволит снизить угол перекоса тележек, а следовательно и силу давления гребня на рельс, что в конечном итоге скажется на уменьшении бокового износа гребней колес. На предлагаемое устройство оформлена и отправлена заявка о выдаче патента Российской Федерации на изобретение.
На защиту выносятся следующие положения:
Алгоритмы определения, законов изменения угла перекоса локомотивных тележек, силы нормального давления гребня колеса на рельс и изменения функции управления тележками в переходных и круговых кривых.
Программа расчета на ЭВМ для определения и анализа указанных зависимостей.
Методика экспериментального исследования по выявлению качественной картины вписывания электровоза ЭП 1 в переходные и круговые кривые.
Устройство для автоматического управления тележками в кривых участках пути, исключающего перекосную установку локомотивных тележек при прохождении кривых и позволяющего существенно снизить интенсивность износа гребней колес и рельсов.
Диссертационная работа состоит из "Введения", шести глав, общих выводов, списка использованной литературы и "Приложения". В первой главе дан анализ методов исследования движения локомотивов в переходных кривых и возможных направлений решения проблемы бокового износа гребней колес и рельсов.
Во второй главе представлено математическое описание процесса движения электровоза ЭП 1 в переходных и круговых кривых. Определены силы, действующие на кузов и тележки электровоза. Получены аналитические зависимости касательных сил на кругах катания колес. Определен закон изменения угла перекоса тележки и силы давления гребня на рельс в переходной и круговой кривой.
В третье главе приведен силовой анализ разворота тележек в рельсовой колее и рассмотрено влияние различных факторов на величину силы давления гребня.
Четвертая глава работы посвящена экспериментальному исследованию процесса движения электровоза в переходных и круговых кривых. Приведена методика регистрации положения локомотивных тележек в рельсовой колее при помощи видеокамер.
В пятой главе представлена техническая сущность устройства для управления тележками, рассмотрена его работа.
В шестой главе приводится технико - экономическая оценка эффективности устройства управления тележками.
Объем диссертации составляют 156 страниц машинописного текста, 5 таблиц, 50 рисунков, 1 приложение на 23 страницах.
Основные положения диссертации опубликованы в 13 печатных работах и в одном научно - исследовательском отчете.
Исследование проблемы взаимодействия с рельсами колесных пар локомотивов в переходных и круговых кривых малого радиуса
В начале данного пункта рассмотрен анализ работ, связанных с исследованиями движения подвижного состава в переходных кривых, имея ввиду возможность использования результатов работ для исследования причин износа гребней колес локомотива 2о - 2о - 2Q С наклонной тягой в кривых малого радиуса.
Одной из первых работ, посвященных исследованию движения локомотивов в переходной кривой является работа Л. В. Шулькина 1948 г., в которой предполагалось, что силы трения между колесами локомотива (паровоза) и рельсами подчиняются закону сухого трения.
B.C. Рябченко в 1951 г. для исследования движения паровоза на малом участке переходной кривой применял метод динамического вписывания в круговые кривые, предложенный К. П. Королевым [54]. Такой метод не позволял получить полную картину процесса движения по переходной кривой. В работе А. К. Дюнина [41], опубликованной в 1951 г., движение локомотива по переходной кривой рассматривалось как движение материальной точки по заданной траектории. Т. Мюллер [67] в 1956 г. рассматривал процесс входа в круговую кривую трехосного локомотива при установившемся движении. Полученные им кинематические соотношения не применимы для анализа движения в переходных кривых. А. Д. де Патер [30] в 1957 г. исследовал движение такого же локомотива в переходной кривой. Результаты, полученные в этой работе аналогичны, результатам, представленным в работе [41]. В 1959 - 1961 гг. В. Н. Даниловым [27, 28] при исследовании движения подвижного состава в кривых переменной кривизны, учтено влияние силы трения гребня о рельс и конусности бандажей. Однако, в его работах не учитывалось поперечное смещение центра масс тележек, которое существенно влияет на силы давления гребня на рельс. Математическая модель, предложенная Мюллером [67], была обобщена в 1966 г. О. П. Ершковым [42] для исследования движения экипажа с цилиндрическими колесами по пути переменной кривизны.
Большой вклад в теорию исследования движения локомотивов в кривых внес В. М. Панский. В работе [73] им проанализирована кинематика и динамика локомотива в переходных и круговых кривых в режиме тяги и торможения, но для практического использования применить эту теорию сложно. В работе В. М. Панского не рассматривается задача получения закона изменения силы давления гребня на рельс, по полученным соотношениям нельзя качественно проанализировать все факторы, которые влияют на износ гребней колесных пар.
Одним из известных исследователей, занимающихся вопросами изучения движения подвижного состава по кривым переменной кривизны, является Ю. С. Ромен. Им в 1964 - 1969 гг. проделана большая работа по динамике вписывания подвижного состава в кривые переменного радиуса с применением электронных вычислительных машин [79, 80, 81, 82]. Для упрощения математической модели в этих работах принималось, что сила давления гребня параллельна продольной оси колесной пары, "забегание" точки контакта гребня с рельсом отсутствует, не учитывается сила трения гребня о головку рельса. Эти упрощающие предпосылки вызывают сомнение в полной адекватности модели реальному процессу взаимодействия гребня колеса с рельсом.
И. В. Бирюков, Г. П. Бурчак в 1971 г. в работе [7] исследовали причины износа гребней бандажей электропоезда ЭР 22. В этой работе дается математическое описание движения экипажа по переходной кривой, основанное на теории относительного движения. Однако, не учитывается "забегание" точки контакта гребня с рельсом, не уточняется кинематика вписывания в переходную кривую. И. С. Доронин, А. И. Колесниченко в 1973 г. в работе [32] представили методику исследования кинематики вагонных тележек в переходной кривой. Использованное в этой работе упрощенное представление о форме осевой линии переходной кривой не может быть принято для кривых малого радиуса.
Исследование на АВМ движения вагона по переходной кривой представлено в работе М. А. Фришмана 1974 г. [92]. Разработанная в работе модель движения вагона используется, в основном, для решения проблем комфортабельности; для анализа факторов, влияющих на износ гребней колес, эту модель использовать не представляется возможным.
Исследованию различных аспектов динамики подвижного состава при движении по участку переменной кривизны посвящены работы американских авторов [55, 85], опубликованные в 1982 - 1983 гг., а так же работа Н. А. Радченко [77]. В последней приведена обширная библиография по вопросам динамики подвижного состава в кривых. При выводе дифференциальных уравнений движения экипажа по криволинейному участку пути переменной кривизны эти авторы используют способ, основанный на преобразовании координат. Такой подход связан с громоздкими выкладками и трудно обозримыми в физическом смысле результатами.
В обобщающей научной публикации 1992 г. [70] Г. П. Бурчаком рассмотрена динамика вписывания двух тележечного локомотива в переходные кривые, с целью определения законов изменения его обобщенных координат.
В более поздней работе [14] 1997 г. Г. П. Бурчаком совместно с А. Н. Са-воськиным рассмотрена динамика вписывания двухосного экипажа в кривой участок переменной кривизны. Подробно рассмотрена кинематика вписывания экипажа в переходную кривую. Однако, формулы для абсолютных скоростей точек контакта колес с рельсами не приводятся, поэтому трудно оценить точность определения касательных сил крипа, которые являются основным фактором, определяющим износ гребней колес в кривых. Разработанная в работе [14] методика позволяет определять показатели динамических качеств экипажа и выбирать рациональные параметры системы, но для анализа причин износа гребней колес локомотива 2Q - 2о - 2Q эту методику применить затруднительно.
В перечисленных работах математические модели движения локомотивов в кривых ориентированы на определение параметров движения локомотива в целом и не позволяют делать качественные оценки влияния различных факторов (скорость, сила тяги, возвышение наружного рельса и т. д.) на интенсивность износа колес и рельсов.
Далее выполнен анализ исследований по определению поперечных горизонтальных сил, передающихся на рельсы от колес локомотивов в кривых участках пути, в частности, сил давления на рельсы гребня колеса.
Определение поперечных сил на колесах представляет собой достаточно сложную задачу. До 1950 г. использовался упрощенный метод. В его основе заложены принципы, сформулированные К.Ю. Цеглинским [97], Боэдекером [10] и Юбелаккером [100]. Дальнейшее усовершенствование метода для локомотивов было выполнено А. С. Раевским и X. Хейманом [95].
Результаты расчетов по указанному упрощенному методу не всегда совпадали с опытными значениями величин, так как рассматривался только установившийся режим движения, не учитывалась упругость рессор и рельсов; считалось, что касательные силы в точках контакта колес и рельсов определяются по закону сухого трения.
Определение углов между продольной осью кузова и осью автосцепки
На отечественных железных дорогах опытное применение смазки началось еще в 50 - е годы [4, 62, 68]. Но не для всех условий эксплуатации удалось подобрать эффективную смазку и надежную технологию нанесения ее на контактирующие поверхности рельсов и гребней колес. В тоже время лубрикация является не самым дешевым способом уменьшения бокового износа гребней колес и рельсов [18].
Некоторые исследователи считают, что уменьшения интенсивности бокового износа можно добиться за счет изменения стандартного профиля поверхности бандажа. В работах [20, 23, 22, 21, 74, 75] предлагается увеличить конусность поверхности катания колес. Однако, как справедливо указывает профессор М. Ф. Вериго в работе [18] "...эффективность таких мер для снижения интенсивности износа колес будет невелика, особенно в кривых малого радиуса, так как любой начальный профиль после его износа всего на 1 - 2 мм уже обретает новую конфигурацию".
В работах [74, 96, 72, 12, 13] высказывается предложение, что увеличение интенсивности бокового износа рельсов и гребней колес связано с уменьшением ширины рельсовой колеи с 1524 мм до 1520 мм. Однако для кривых радиуса менее 299 м это изменение нормы практически не повлияло на ширину колеи: если при норме 1524 мм наибольшая ширина колеи в таких кривых принималась равной 1546 мм, то при норме 1520 мм - 1545 мм [94]. При обследовании кривых радиуса менее 250 м на Партизанской дистанции пути ДВЖД фиксировалась максимально допустимая ширина колеи, но боковой износ от этого не уменьшился [9].
Зарубежные специалисты видят решение проблемы бокового износа, во -первых, в смазывании контактирующих поверхностей, во - вторых, в подборе оптимальных очертаний рабочих поверхностей бандажей колес. Достаточно полный анализ исследований зарубежных ученых по применению смазки гребней колес представлен в работе [24]. Представление о втором пути решения проблемы бокового износа дают работы [66, 91].
Значительное снижение сил взаимодействия колес локомотива с рельсовой колеей, а следовательно и износа контактирующих поверхностей, может быть выполнено с помощью специальных устройств, управляющих положением тележки в рельсовой колее.
Началом исследований в этом направлении является работа А. Н. Коняева и Э. П. Равич - Щербо [53], опубликованная в 1964 г. Систематическое исследование проблемы управляемого движения тележек локомотива рассмотрено в работах [47, 48, 49, 50, 51] и докторской диссертации В. Н. Кашникова [52]. В этой работе разработаны алгоритм и основы управляемого движения локомотивов в кривых участках пути, предложено автоматическое поворотное устройство. Данная работа имеет несомненную практическую ценность, однако, автор с целью упрощения расчетной схемы и математического описания процесса входа экипажа в кривую, рассматривал вход с прямой в круговую кривую, а учет параметров переходной кривой осуществлялся путем принятия расчетных величин углов набегания в качестве начальных условий. На наш взгляд, не учет формы переходной кривой является недостатком данной работы.
Исследование эффективности системы управляемого разворота тележек в снижении бокового воздействия локомотива на путь в кривых рассмотрено в работе [5]. В работе [6] рассмотрена структура и принцип работы систем управляемого направления тележек локомотивов. Четких рекомендаций по проектированию таких устройств в данной работе не дается. Указанные разработки устройств управления тележками не нашли применения на локомотивах. Объясняется это значительным усложнением конструкции экипажной части локомотива и отсутствием убедительных доказательств, что это наиболее эффективный путь уменьшения износа гребней колесных пар. В диссертации обосновывается положение о том, что проблему бокового износа рельсов и гребней колес локомотивов надо решать путем создания условий, исключающих перекосную установку локомотивных тележек в переходных и круговых кривых малого радиуса. На основании анализа литературных источников, трудов по проблеме взаимодействия локомотивов с рельсовой колеей в переходных и круговых кривых, а так же уровня проработки этого вопроса можно установить следующие цели дальнейшего исследования: 1. Чтобы активно влиять на уменьшение износа гребней колес локомотива 2о - 2о - 2о необходимо, прежде всего, установить причины, определяющие величину силы давления гребня на рельс; для этого необходимо разработать математическую модель динамики вписывания тележек этого локомотива в кривые, учесть при этом влияние ранее пренебрегаемых факторов. 2. С использованием этой модели исследовать движение тележек локомотива 2о - 2о - 2о в переходных и круговых кривых, определить закон изменения угла перекоса тележки в зависимости от пройденного пути, определить законы изменения силы нормального давления гребня на рельс в переходных и круговых кривых. 3. Экспериментально подтвердить адекватность математической модели реально происходящему процессу вписывания электровоза 2Q - 2Q - 2Q В переходные и круговые кривые малого радиуса. 4. Разработать предложение для снижения интенсивности износа гребней колес локомотива 2Q - 2Q - 2Q С наклонной тягой.
Анализ процесса разворота тележек в рельсовой колее переходной кривой
Теоретические положения и численный анализ факторов, влияющих на процесс вписывания локомотивных тележек в криволинейные участки пути и соответственно на боковой износ рельсов и гребней колесных пар локомотивов, требуют экспериментальной проверки.
Целью эксперимента является определение качественной картины процесса вписывания локомотивных тележек при движении электровоза по переходным и круговым кривым малого радиуса. А именно, необходимо определить промежуток времени от момента входа локомотива в кривую до момента прижатия гребня набегающего колеса к наружному рельсу кривой, убедиться в реализации безотрывного движения гребня набегающего колеса после его прижатия к рельсу, установить, что при движении по кривым угол перекоса тележки плавно увеличивается, не достигая максимального значения, определяемого шириной колеи и базой тележки.
В 90-х годах в рамках комплексных испытаний, направленных на решение проблемы бокового износа рельсов и гребней подвижного состава, коллективом ДВГАПС на участке Смоляниново - Партизанск был выполнен ряд опытных поездок с динамометрическим вагоном с целью выяснения причин повышенного износа гребней колесных пар электровозов серии ВЛ80Р [9].
Для проведения опытных поездок в депо Смоляниново ДВЖД были выделены два электровоза ВЛ80Р, тележки которых были оборудованы датчиками для регистрации угла разворота тележек относительно продольной оси кузова. В качестве датчиков использовались сельсины. Положение тележки в рельсовой колее определялось по величине угла набегания ее первой колесной пары путем пересчета угла разворота каждой тележки относительно кузова секции через геометрические размеры электровоза и верхнего строения пути индивидуально для каждой кривой. Положение кузова секции локомотива в кривой считалось хордовым.
Результаты опытных поездок подтвердили основные положения части теоретических исследований, выполненных к тому времени. Однако, априорное утверждение о хордовом положении кузова секций при вписывании локомотива в кривые малого радиуса, трудности с тарированием и установкой нуля в примененной измерительной системе и погрешности при пересчете, основанном на геометрических размерах пути и локомотива, послужили основанием для некоторых сомнений в точности полученных результатов. К тому же не имелось экспериментальных данных для переходных кривых.
В 1996 году в ДВГАПС была разработана измерительная система, позволяющая регистрировать положение каждой колесной пары локомотива относительно рельсовой колеи. Измерительная система представляла собой датчик линейных перемещений, регистрирующий смещение колесных пар подвижного состава относительно рельсовых нитей. Конструктивно датчик линейных перемещений состоял из неподвижной части, которая рельсовыми костылями, крепилась к шпалам верхнего строения пути и подвижной (регистрирующей) части, закрепленной с помощью специального механизма на неподвижной части, а так же механизма возврата, обеспечивающего постоянный контакт подвижной части либо с рельсом, либо с внутренней стороной бандажа колесной пары. Указанная измерительная система имеет недостаток, так как является стационарной, то есть замеры, можно производить только в фиксированной точке рельсовой колеи. К тому же, что бы иметь возможность проводить измерения в различных точках рельсовой колеи необходимо перемещать измерительную систему по рельсовой колее, каждый раз прикрепляя к шпалам неподвижную часть датчика. Эти недостатки говорят о неэффективности измерительной системы для условий движения в переходных кривых. Поэтому было принято решение производить экспериментальные исследования движения тележек в переходных кривых методом видеосъемки. С помощью видеосъемки можно определить взаимное положение колес, а следовательно и тележек относительно рельсов в процессе движения электровоза. Впервые киносъемка для исследования взаимодействия пути и подвижного состава была применена в 1945 г. профессором М. А. Фришманом [90]. В этой работе основное внимание уделяется процессам виляния и вписывания паровозов в кривые участки пути. Поэтому некоторые фрагменты данной работы были приняты во внимание при исследовании движения электровозов ЭП 1 в переходных и круговых кривых. Во время эксперимента производилась регистрация положения колесных пар и тележек подвижного состава в рельсовой колее. Эксперимент производился методом видеосъемки. Для регистрации положения колесных пар и тележек в рельсовой колее использовались аналоговые видеокамеры. Эксперимент проводился двумя этапами. В первом этапе определялось положение тележки локомотива в процессе движения в кривых участках пути. Схема установки регистрирующей аппаратуры для первого этапа представлена на рис. 4.1. Во втором этапе регистрировалось расположение всех колесных пар в фиксированной точке рельсовой колеи. Сложность эксперимента по первому этапу заключается в том, что нужно одновременно зафиксировать положение обеих колесных пар тележки локомотива относительно рельсовой колеи.
Описание регистрирующей системы и проведение эксперимента
Анализ различных научных работ связанных с разработкой разворотных устройств тележек представлен в п. 1.3 диссертационной работы.
Известно устройство для уменьшения направляющих усилий набегающих колес тележек локомотива [102], состоящее из исполнительного механизма и системы управления. Исполнительный механизм представляет собой силовой цилиндр, корпус которого установлен на раме кузова, а шток связан с рамой тележки. Система управления содержит распределитель, два датчика измерения перемещений тележки, блок управления. Распределитель соединен трубопроводами с полостями силового цилиндра. Блок управления связан электрически с распределителем. Каждый датчик измерения перемещения тележки представляет собой регистратор поперечных перемещений тележки относительно соответствующего рельса. Датчики измерения перемещений тележки установлены на тележке над головками рельсов и связаны с блоком управления.
При вхождении локомотива на кривой участок пути датчик регистрирует начало вхождения в кривую и подает сигнал в блок управления, который выдает команду на срабатывания распределителя. Силовой цилиндр создает силу, действующую на тележку. Эта сила способствует установке тележки в хордовое положение. В этом случае давление гребня набегающего колеса на наружный рельс уменьшается, следовательно, снижается интенсивность износа колес и рельсов.
Недостатком устройства является отсутствие своевременной установки тележки в хордовое положение в заданной точке рельсовой колеи.
Это обусловлено продолжающимся движением тележки между точкой рельсовой колеи, в которой датчик регистрирует вхождение в кривую, и точкой, в которой шток силового цилиндра начнет поворачивать тележку в хордовое положение. Подобным является устройство для управления вписыванием двух тележеч-ного экипажа локомотива в кривые участки пути [103].
Устройство состоит из исполнительного механизма и системы управления. Исполнительный механизм представляет собой силовой цилиндр, корпус которого установлен на раме тележки, а шток силового цилиндра связан с рамой кузова локомотива. Система управления включает распределитель, датчик измерения перемещений тележки и блок управления. Распределитель соединен трубопроводами с полостями силового цилиндра. Блок управления соединен с распределителем. Датчик измерения перемещений тележки связан с блоком управления. Датчик измерения перемещений тележки представляет собой регистратор угла поворота тележки относительно кузова локомотива, выполненный в виде концевого выключателя. Концевой выключатель состоит из контакта, установленного на раме тележки и двух ограничительных контактов установленных на раме кузова. Расстояние, между ограничительными контактами фиксированное и соответствует предельно допустимому углу между продольными осями кузова и тележки.
При входе локомотива в кривую его тележки поворачиваются относительно кузова. При незначительном угле между продольными осями кузова и тележкой, замыкания контактов концевого выключателя не происходит. Как только угол станет предельно допустимым, произойдет замыкание контактов концевого выключателя. При замыкании контактов поступает сигнал в блок управления, который подает команду на срабатывание распределителя. Силовой цилиндр создает силу, действующую на тележку, вызывая ее поворот в хордовое положение. Сила давления гребня на наружный рельс уменьшается.
Преимуществом, перед выше описанным устройством, является то, что при определенных радиусах кривых участков пути возможна установка тележки в положение близкое к хордовому. Для этого необходимо надлежащим образом выбрать предельное значение угла между продольными осями кузова и тележкой для криволинейного участка пути. При соответствии этого угла радиусу кривой тележка установится в положение близкое к хордовому.
Недостатком устройства [103] является то, что установка тележки в хордовое положение, соответствующее заданной точке рельсовой колеи, происходит с опозданием.
Это обусловлено тем, что за время срабатывания системы управления и создания необходимой силы штока силового цилиндра тележка продолжает движение и нужный поворот тележки в хордовое положение в точке рельсовой колеи, в которой датчик регистрирует предельный угол, будет отсутствовать.
К тому же, установка тележки в положение близкое к хордовому невозможна в кривых, радиус которых больше радиуса, соответствующего предельно допустимому углу между продольными осями кузова и тележки. Это связано с тем, что расстояние, между ограничительными контактами строго фиксированное, и замыкание контактов происходит всегда при одном и том же значении угла между продольными осями кузова и тележки, то есть при вполне определенном значении радиуса кривой. В кривых с радиусом больше этого значения замыкание контактов и срабатывание системы управления будет отсутствовать. Хордовой установки тележки не произойдет.
На основании проведенного анализа устройств необходимо сформулировать цель, при достижении которой исключаться недостатки указанных устройств.
