Содержание к диссертации
Введение
1 Причины изнашивания бандажей колесных пар локомотивов 10
1.1 Анализ основных причин изнашивания бандажей 10
1.2 Краткий обзор научных работ по повышению ресурса бандажей колесных нар локомотивов 17
2 Математическая модель выбора способов повышения ресурса бандажей колесных пар 23
2.1 Способы, направленные на повышение срока службы бандажей колесных пар 23
2.2 Обработка статистической информации 27
2.3 Одно факторный анализ одноименных совокупностей износа бандажей колесных пар 35
3 Исследование степени влияния наиболее эффективных способов 40
3.1 Выбор наилучшего профиля катания бандажей колесных пар локомотивов 40
3.2 Упрочнение поверхности гребней бандажей колесных пар 47
3.3 Своевременная замена рези пометал л ических элементов буксовых узлов колесных пар 55
3.4 Увеличение начальной толщины бандажа 60
3.6 Влияние технологического износа на ресурс бандажей колесных пар 61
3.7 Наплавка гребней бандажей колесных пар локомотивов 66
3.8 Применение триботехнических материалов 74
3.9 Прогнозируемый ресурс бандажей колесных пар 81
4 Влияние остаточного проката на тяговые свойства электровоза 87
5 Расчет экономического эффекта от применения внедряемых способов 99
Заключение 116
Список литературы 118
Приложение
- Краткий обзор научных работ по повышению ресурса бандажей колесных нар локомотивов
- Одно факторный анализ одноименных совокупностей износа бандажей колесных пар
- Своевременная замена рези пометал л ических элементов буксовых узлов колесных пар
- Влияние остаточного проката на тяговые свойства электровоза
Введение к работе
Актуальность работы. Бандажи колесных пар являются одним из самых ответственных элементов механической части электровозов. Величина ресурса бандажей определяет периодичность технического обслуживания ТО-4 (обточка бандажей с целью восстановления конфигурации их профиля), ремонта ТР-3, СР и КР для замены полностью изношенных бандажей колесных пар.
По оценке экспертов, в России в начале 80-х гг. срок службы бандажей колесных пар локомотивов составлял 6–7 лет, а в 90-е гг. ХХ века он сократился уже до 2–3 лет. Отказы по износу колес занимают «ведущее место» среди других технических отказов в эксплуатации локомотивов.
Проблемой износа колесных пар прямо или косвенно занимались многие ученые и практики в России и за рубежом. На основе натурных наблюдений делались выводы о влиянии тех или иных факторов на интенсивность износа, на основе теоретических разработок строились модели.
Статистический анализ причин износа бандажей колесных пар показывает, что основная доля износов поверхности бандажа приходится на гребень бандажей колесных пар (рисунок 1). Поэтому большинство обточек производят по износу гребня, причины остальных обточек распределяются примерно в равном соотношении.
Интенсивность износа гребня напрямую влияет на долговечность бандажей колесных пар. От долговечности бандажей зависит срок службы всей колесной пары электровоза, так как при предельном износе бандажей необходимо производить выкатку колесно-моторного блока, что не только оставляет эксплуатационные депо ОАО «РЖД» без работоспособного электровоза, но и добавляет работы ремонтным локомотивным депо, а значит, приводит к росту себестоимости перевозок и снижению конкурентоспособности железнодорожного транспорта.
Ресурс бандажей колесных пар является одним из определяющих факторов величины межремонтных пробегов – не увеличив ресурс бандажей, невозможно продлить межремонтный период между текущими ремонтами ТР-3, что сдерживает увеличение пробегов между ремонтами во всей системе технического обслуживания и текущего ремонта электровозов.
Объект исследования – бандажи колесных пар электровозов.
Предмет исследования – способы повышения ресурса бандажей колесных пар.
Целью диссертационной работы является увеличение долговечности бандажей колесных пар электровозов в условиях депо. В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи:
– выполнить анализ причин изнашивания бандажей колесных пар и способов, существенно повышающих долговечность бандажей электровозов;
– разработать математическую модель многофакторного анализа повышения долговечности бандажей колесных пар;
– разработать методику оценки влияния наплавки гребней на долговечность бандажей колесных пар электровозов;
– усовершенствовать методику определения проката на основе разработанной математической модели.
Методы исследования. В ходе исследования применялись методы теории вероятности и математической статистики. Общая методика исследований построена на использовании численных методов анализа, построении прогнозных моделей, натурных испытаниях.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных методов обоснования полученных результатов, выводов и рекомендаций, а также положительным опытом внедрения предложений автора работы на Свердловской железной дороге.
На защиту выносятся:
– способы, повышающие долговечность бандажей колесных пар электровозов в условиях депо;
– математическая модель многофакторного анализа комплексного влияния способов повышения долговечности бандажей колесных пар;
– методика оценки влияния наплавки гребней на долговечность бандажей колесных пар электровозов;
– усовершенствованная методика определения величины проката бандажей колесных пар.
Научная новизна работы заключается в следующем:
– разработана математическая модель многофакторного анализа комплексного влияния способов повышения долговечности бандажей колесных пар электровозов;
– разработана методика оценки влияния наплавки гребней на долговечность бандажей колесных пар электровозов;
– усовершенствована методика определения проката бандажей колесных пар электровозов ВЛ10 и ВЛ11.
Практическая ценность. Выполненные исследования позволили выявить степень влияния исследуемых способов на снижение интенсивности износа бандажей колесных пар. Даны практические рекомендации о целесообразности применения каждого из исследуемых способов повышения долговечности бандажей колесных пар, которые могут найти свое применение на предприятиях, осуществляющих эксплуатацию и ремонт электровозов.
Реализация результатов работы. Материалы, представленные в диссертации, являются составной частью научно-исследовательских работ УрГУПС по разработке способов повышения ресурса бандажей колесных пар тягового подвижного состава железных дорог.
Результаты исследования и практические предложения внедрены в локомотивных депо Свердловской железной дороги.
Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в открытой печати, докладывались и одобрены на: Межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые – транспорту» (Екатеринбург, УрГУПС, 2005–2010 гг.); научно-технической конференции, посвященной юбилею электромеханического факультета УрГУПС (Екатеринбург, 2008 г.); заседаниях кафедры «Электрическая тяга» УрГУПС (2006–2010 гг.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 10 статьях (из них четыре – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ). Общий объем публикаций 5,63 п.л., из которых автору принадлежит 3,55 п.л. Статьи опубликованы в журналах «Железнодорожный транспорт», «Транспорт Урала», «Известия Петербургского университета путей сообщения», «Локомотив», «Вестник УрГУПС», в сборниках научных трудов УрГУПС.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя введение, пять глав, заключение, библиографический список из 121 наименований и три приложения. Основное содержание изложено на 129 страницах машинописного текста, в том числе 22 таблиц, 45 рисунков.
Краткий обзор научных работ по повышению ресурса бандажей колесных нар локомотивов
Проблеме износа бандажей колесных пар целый ряд работ посвятили российские и зарубежные ученые: С. М. Андриевский, С, В. Алехин, ІО. А. Бабич, А. II. Буйносов, В. М- Богданов, Н. Ф. Блидченко, Ю. И- Виноірадов, А. А, Воробьев, А. В- Горский, А. Т. Головатый, А. Л. Голубснко, Т. К Голутвина, М. IL Гребешок, В. Г. Григоренко, Ю. А. Евдокимов, К. И. Домбровский, В. П. Девяткин, С. М. Захаров, Ю.В.Зыков, И. А, Иванов, В. Н. Иванов, С. Г. Иванов, И, П. Исаев, А, И. Карамзин, В. Н. Кашников, Н. И. Карпущенко, В. А, Кислик, А. Я. Коган, А. С, Космодамиапский, А, П. Костюк, А, И. Комаров, А, С. Краев, А. И. Карамзин, Н. Г. Кабенин, С. М. Куценко, Д. А. Курасов, Т. В, Ларин, М. А. Левинзон, А Л. Лисицын, Ю. Н. Ликратов, М. М, Машкев, И. А, Майба, Н. Ф. Медведев, И R Меншутии, В. С, Наговицын, О. А. Некрасов, В. И. Наумов, Н. А. Панькин, Ю, Е. Просвиров, Ю. С. Ромена, A. Н. Савоськин, А. И. Скачков, А. В. Смольянинов, К, А, Стацснко, М. Н. Трофимов, В. П, Феоктистов, А. А, Хохлов, И. С. Цихалевский, B, Н. Цюренко, В. В, Шаповалов, В. Н, Шестаков, Л. М. Школьник, Н. П. Щапов, Д. Калкер и другие ученые, В этом направлении достигнуты серьезные результаты, однако проблема не потеряла актуальности и требует усиленного внимания. Основой работы послужили труды следующих ученых: А.П. Буйносова, А.В. Горского, ДА. ТСурасова, Н.Ф. Медведева, И.С. Цихалевского Также учитывались результаты исследований СМ. Андриевского, Ю.Н. Виноградова, И.П. Исаева, Т.В. Ларина, К.АХтаценко.
Износ таких деталей как бандажи колесных пар локомотивов подвергся активному изучению еще в начале 80-х годов XIX века. С этой целью комиссия. Русского технического общества под руководством инженера В.М. Вер-ховского исследовала износ бандажей и рельсов [64],
Важную роль в процессе работы пары трения колесо-рельс играет профиль бандажа [18, 70]. В мировой практике насчитывается более двух десят ков профилей поверхностей катания бандажей колесных пар, В России локо-мотиворемонтные заводы поставляют дорогам колесные пары с профилем бандажа (ГОСТ 11018-2000) [73], в то время как каждое депо выбирает профиль бандажа самостоятельно. Таким образом, колесные пары, полученные с завода, подвергаются обточке в депо после износа гребней и наиболее твердый слой бандажа срезается. В таких условиях переход на единый профиль в пределах одной дороги способствует увеличению срока службы бандажей, однако подобный переход связан с рядом проблем исходя из специфики работы каждой дороги.
Несмотря на большой ассортимент профилей катания, они имеют отличия внутреннего характера. Так, например, один и тот же профиль может иметь разную толщину гребня, что также оказывает влияние на износ в процессе эксплуатации. В соответствии с исследованиями [19, 20, 81] гребни с толщиной 33 мм изнашиваются более интенсивно, чем гребни с толщиной 30 мм. Результаты испытаний, проведенных еще в 1995 г. на Восточно-Сибирской дороге, показали, что средний износ гребней колес с начальной толщиной гребня 33 мм составил 3,9 мм, а колес с начальной толщиной 30 мм - 2,6 мм, то есть на 1,3 меньше. При этом темп износа колес с начальной толщиной гребня 30 мм на 1000 км пробега оказался в 1,6 раза меньше.
Немаловажное значение для повышения уровня надежности работы не только механической части, но и всего локомотива в целом, имеет ресурс деталей. Подсчет этого параметра дает возможность найти лимитирующее оборудование (имеющее наименьший ресурс работы) и» приняв ряд мер по повышению срока его службы, увеличить межремонтные пробеги. Одним из основных путей достижения эффективности использования локомотивов является обеспечение их ремонтопригодпости, которая закладывается при проектировании и изготовлении оборудования, что в первую очередь влияет на создание экономически оправданной системы технического обслуживания и ремонта. Для этого принята концепция модификации локомотивов, принцип взаимозаменяемости деталей и узлозз локомотивов различных серий. Ремонтопригодность базового локомотива обеспечивается также простым доступом ко всем деталям и узлам, сокращения числа видов инструмента, сокращением времени обслуживания,
Как средство повышения ресурса бандажей широко применяется упрочнение іребней колесных пар [3, 37, 63, 74, 84, 86, 107]. Мнения насчет эффективности этого способа различались с прямой противоположностью, но с течением времени упрочнение получило широкое распространение.
Зависимость интенсивности износа гребней от конструкционных особенностей локомотивов выявлена уже довольно давно. Степень подвижности буксового узла оказывает прямое воздействие на ресурс пары трения «колесо-рельс» [6, 66, 97, ] 16] Увеличить срок службы бандажей можно и используя методику определения остаточного проката [100]. Оставляя остаточный прокат, удастся не только максимально реализовать силу тяги по сцеплению, увеличив массу состава, но и экономить материал бандажа при проведении технического обслуживания ТО-4.
Средством снижения технологического износа бандажей может служить наплавка гребней. Более 50 лет назад благодаря наплавке гребней бандажей был значительно увеличен срок их службы [34]. Согласно инструкции ЦГ-336 от 11.08J995 г. [54] («Инструкция по сварочным и наплавочным работам при ремонте тепловозов, электровозов и дизелыюездов»), разрешается производить наплавку іребней бандажей колесных пар локомотивов грузового движения с выкаткой их из-под локомотива. Процесс восстановления изношенного гребня без наплавки является экономически невыгодным, так как для увеличения толщины гребня приходится снимать с поверхности катания значительный слой металла. При наплавке гребней бандажей получаем значительную экономию времени и средств ввиду отсутствия необходимости. отправки колесных пар на завод или в колесный цех дли ремонта со сменой элементов. Пели организовать процесс наплавки гребней без выкатки колесных пар из-под локомотива, затраты времени на производство ремонта существенно снизятся.
Одно факторный анализ одноименных совокупностей износа бандажей колесных пар
Выдвигается нулевая гипотеза о равенстве математических ожиданий для трех исследуемых выборок. Проверим выполнение нулевой лнтотезы по критерию Фишера. Для этого введем следующие величины: 1) Факторная (межгрупповая) сумма квадратов отклонений где Xj - выборочная средняя в j-ом факторе (группе); X - общая выборочная средняя, характеризующая разброс значений относительно общего среднего значения в силу влияния уровней фактора; Она отражает влияние случайных причин на разброс значений относительно общего среднего. Ее удобно рассчитывать но более простой формуле где Dj - выборочная дисперсия выборки. Общая сумма квадратов отклонений Также обшуго сумму квадратов отклонений можно найти по следующей формуле где Da — общая выборочная дисперсия по всем наблюдениям. При этом должно выполняться основное тождество дисперсионного анализа Исправленные факторная и остаточная дисперсии определяются по выражениям (2.30, 2,31) Длл проверки пулевой гипотезы рассмотрим величину
Величина / является случайной, так как в разных опытах принимает различные неизвестные заранее значения. При выполнении гипотезы Ни случайная величина./ 1 имеет распределение Фишера, которое зависит только от Л г числа степеней свободы к\ и къ Если s факг s 0Ст то вычисляем наблюдаемое значение критерия Fim& По таблице критических значений распределения Фишера в зависимости от уровня значимости а и числа степеней свободи к\ и кг находим критическое значение критерия F . Если FliaGn Т7 , тогда пулевая гипотеза о равенстве математических ожиданий принимается, выборочные средние всех уровней фактора различаются незначимо, следовательно, фактор (а именно, его уровни) не оказывает существенное влияние на признак X. Иначе, если FilQQli /чрНГ, нулевая гипотеза отвергается, и фактор оказывает существенное влияние на исследуемый признак X.
Для проведения анализа расхождения влияния различных факторов па процесс изнашивания бандажей требуется построить доверительные интервалы для математических ожиданий всех совокупностей уровней фактора с доверительной вероятностью у = 0,95 и установить, значимо ли расхождение параметров при уровне значимости а = 0,05.
Находим доверительные интервалы при доверительной вероятности 0,95 для математических ожиданий mt по формуле ции износа баїгдажсй колесных пар при использовании определенного способа, направленного на повышение долговечности бандажей колесных пар.
Предварительная обработка статистической информации, описанная в разделе 2.2, ввиду большого объема, производилась на ЭВМ с помощью специально разработанной автором программы, написанной на языке Object Paskal {Delphi). Структурная схема программы и листинг приведены в приложениях А и Б соответственно.
В мировой практике эксплуатации железных порог используется достаточно большое количество профилей катания бандажей колесных пар. Различные профили могут сосуществовать даже в пределах, одного локомотивного депо, Так, например, в локомотивных депо Свердловской железной дороги Свердловск-пассажирский и Свердловск-сортировочный используются следующие: ГОСТ 11018-2000 и ДМетИ (J1P). Технологи локомотивных депо приводят различные доводы в пользу обоих профилей катания, что, однако, не оставляет основного преимущества за одним из них. Таким образом, проблема выбора профиля катания ис теряет актуальности до настоящего времени Важнейшими характеристиками каждого профиля являются следующие факторы: максимальное тяговое усилие, реализуемое по кругу катания колеса и продолжительность эксплуатации бандажа до его замены. На рисунках 3.1 и 3.2 приведены профили катания ГОСТ 11018-2000 и ДМетй (ЛР) соответственно. По эскизам видно, что профили имеют различную геометрию, слелователыю, их свойства могут иметь существенные различия
Своевременная замена рези пометал л ических элементов буксовых узлов колесных пар
В настоящее время износ бандажа напрямую связан с износом гребня. Повышенный износ гребня связан со многими факторами, среди которых не последнее моего занимает такое изменение конструкции локомотива, как переход с челюстных буксовых узлов на поводковые. Такой переход был обоснован эксплуатационными свойствами челюстных буксовых узлов, обладающих рядом недостатков [116]- На челюстных тележках из-за наличия, зазоров в челюстях букс колесная пара имела возможность ашоустапавливать-ся, занимая радиальное положение в кривой. Поэтому износ гребня не опережал износ колеса по кругу катания, и срок службы бандажей колесных пар был гораздо выше, чом в настоящее время [66].
Бесчелюстные двухповодковые буксы являются узлами высокой точности изготовления. Через них передаются вертикальные нагрузки от массы электровоза, а от колесных пар на рамы тележек - усилия тяги, торможения и боковые горизонтальные усилия. Конструктивно букса выполнена в виде корпуса, отлитого из стали 25Л-11, с четырьмя приливами для крепления поводков. Примером такого буксового узла является букса электровоза ВЛ11 (рисунок 3.17) [7, 120].
Для придания пластичности при прохождении кривых участков пути поводки буксовых узлов оснащаются рези но металлическими шайбами. Длительная эксплуатация резииометаллических поводков электровозов ВЛЮ, ВЛ60Д ВЛ80, ЧС4, тепловозов ТЭП60, 2ТЭ10В, 2ТЭ116 и электропоездов ЭР22 на железных дорогах с различными климатическими условиями показала их высокие эксплуатационные свойства. Однако в процессе эксплуатации в резииометаллических элементах поводков появляются такие дефекты, как отслоение резины от металлических деталей, износ резиновых втулок, ослабление валика в резиновой втулке и резиновой втулке в металлической. Это приводит к изменению упругих свойств буксового поводка и, следовательно, к ухудшению динамических свойств локомотива при прохождении сложных участков пути. Резинометаллические поводки буксы должны иметь строго определенные продольную и поперечную жесткости, поэтому при проведении текущих, средних и капитальных ремонтов производят проверку упругих свойств резиновых элементов, а при необходимости переформировку резиновых втулок и подбор по параметрам жесткости буксовых поводков,
Резинометаллические элементы, прошедшие испытания, должны комплектоваться по толщине стенок и твердости резиновых втулок. При отсутствии на резиновой втулке обозначения твердости, ее необходимо определять при помощи твердомера [6].
Сборку буксовых узлов должны начинагь с подбора поводков но жесткости, потому как эта операция имеет немаловажное значение для расположения колесных пар в раме тележки электровоза. Смещение осей колесных пар способствует неравномерному износу гребней колесных пар, что вызывает повышенный технологический износ при проведении технического обслуживания в объеме ТО-4.
В ходе исследований [97] определено три вида смещения колесных пар: одностороннее смещение середины колесных пар по отношению к оси тележки (рисунок 3.18, а), перекос или смещение середины осей колесных пар в разные стороны по отношению к оси тележки (рисунок 3.18, б), перекос, обусловленный размерной цепью, когда колеса, по отношению к колее расположены «утюгом» (рисунок 3 Л Й? с).
При всех видах смещения колесных пар относительно оси тележки наблюдается зависимость неравномерного износа гребней колесных пар в зависимости от вида смещения (рисунок 3 Л 9).
Для компенсации старения резины в шайбах поводков разрешается устанавливать стальные прокладки, обеспечивающие натяг. При этом буксовый узел делается более жестким и колесная пара по мере старения резины имеет меньше степени свободы перемещения на кривых участках пути. Это, совместно со смещением центров колесных пар по отношению к оси тележки, приводит к повышенному одностороннему износу гребней [97].
Для проведения эксперимента один из электровозов серии ВЛ11 был оснащен новыми резиномсталлическими элементами, а также был произведен подбор поводков по жесткости. Анализ замеров параметров колесных нар по книгам эксплуатационных показателей позволил построить зависимости износа бандажей после оснащения и вероятность отказа бандажа от пробега (рисунок 3.20 и 3.21),
Влияние остаточного проката на тяговые свойства электровоза
Максимальная сила тяги электровоза реализуется на грани перехода в режим бокеования хоти бы одной из колесных пар, которую принято называть с (имитирующей». Значительное влияние па условия сцепления оказывает проскальзывание колес, которое может быть неполное (упругое) или полное (упругое плюс избыточное). При этом проскальзывании зависимость коэффициента сцепления \LJK от скорости скольжения выражается формулой [78] где vuc - скорость полного скольжения колеса, м/сек; vA - скорость скольжения колеса на грани перехода упругого скольжения в полное, м/сек; ір мнлс _ максимальнЬш коэффициент сцепления, реализуемый при скорости скольжения ул; р — коэффициент жесткости характеристики сцепления, сек/м. Зависимость У = /(vCJJ принято называть характеристикой сцепления. Максимальная сила тяги колесной пары (рисунок 4.1) F KC = 2FKMflhC реализуется при скорости скольжения каждого колеса vA, то сстг- когда избыточное проскальзывание колес отсутствует. На прямых участках пути Р реализуется, если радиусы кругов катания обоих колес оси равны. При вписывании колесной пары в кривую кругами катания равного диаметра колеса ее получают дополнительную скорость скольжения, составляющие которой Vj, для внутреннего и v/h для наружного колес, равны по величине и противополодспы по направлению. При этом реализуемая колесной парой сила тяги 7\Jr = F- m]i 4- FKt,,r окажется меньше развиваемого тяговым двигателем усилия 2FKt,3KC Появившаяся в результате этого ускоряющая сила FycK = 2Р ть,с — Flin вызывает дополнительное проскальзывание колес со скоростями скольжения v yCJf и vPycK, направленными в сторону противоположную движению электровоза. Это приводит к росту силы тяги наружного колеса до JPTCIH. и снижению силы тяги внутрешіего колеса до Рка.. Общая сила іяги F , + FKmBmi развиваемая колесной иарой5 увеличится, но будет меньше 2РКМ .
Таким образом, при реализации наибольшей силы тяги колесной парой, движущейся в кривой и контактирующей с рельсами кругами катания колес равного диаметра, сила тяги наружного колеса близка к FKMeKC, а скорость скольжения его приближается к vA. У внутреннего колеса FKSi FK , а скорость скольжения больше vA примерно на величину скорости избыточного скольжения от кривой Vfa равную разности скоростей скольжения колес. В соответствии с зависимостью (ЗЛ) наибольшая сила тяги, которую может реализовать колесная пара, определится в этом случае из равенстна К где s - расстояние между кругами катания колес, м; R - радиус кривой, м; v - скорость движения электровоза, м/сек. Дня движения колесной пары в кривой без избыточного проскальзывания необходимо, чтобы пути, пройденные наружным и внутренними колесами за один оборот, равнялись длинам окружностей кругов катания. Разница радиусов кругов катания, при которой обеспечивается это условие, определяется по формуле где Гц - радиус круга катания наружного колеса, м; гв - радиус круга катания внутреннего колеса, м; 2тгг0 Ф - - - - центральный угол перемещения колесной нары вокруг центра криті вой за один оборот оси, рад; го — средний радиус кругов катания колес, м, Фактическая разница радиусов кругов катания наружного и внутреннего колес Дгфаи- при движении колесной пары в кривой определенного радиуса зависит от установки ее в рельсовой колее, ширины колеи, подуклоики рельсов, а также от профиля рабочей поверхности рельсов и бандажей. В зависимости от этих условий возможны следующие частные случаи, Фактическая и требуемая для движения без проскальзывания разницы радиусов кругов катания колес равны между собой
