Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Основные шторы, влиякще на. необходимый уровень эффективности тормозных средств перспективных грузовых поездов /2
1.1. Определение уровня максимальных скоростей и осевых нагрузок грузовых поездов на перспективу.
1.2. Определение требуемых расчетных тормозных коэффициентов и удельных тормозных сил грузового подвижного состава /3
1.3. Зависимость показателей тормозной эффективности от параметров тормозного оборудования 24
1.4. Пути повышения эффективности тормозных средств грузовых вагонов 35
Выводы и предложения 50
Глава II. Опрещеление оптимального уровня сцепления колес с рельсами в тормозном режиме 52
2.1. Анализ исследований процесса сцепления колес с рельсами.. 52
2.2. Критерии оценки и методика исследования сцепления колес с рельсами при торможении ... ?
2.3. Анализ эксплуатационных данных и результатов испытаний по оценке уровня сцепления колес с рельсами при торможении яа сети дорог СССР 99
2.4. Мероприятия по обеспечению оптимального уровня реализуемого при торможении сцепления колес с рельсами. 122
Выводы и предложения !33
Глава III. Выбор отйшеьных мраметров тормозной сштеш вагонов, обеспечиваквдх реализацию необходимого коэффициента сцепления колес с рельсами
3.1. Сравнительная оценка различных тормозных систем по критерию реализации оптимального уровня сцепления колес с рельсами
3.2. Выбор режима торможения, обеспечивающего реализацию оптимального уровня сцепления грузовыми вагонами в зависимости от величины их загрузки ^8
3.3. Повышение эффективности тормозных средств грузовых вагонов эксплуатируемого парка 159
Выводы и предложения 171
Глава ІУ. Технико-эконок'шеская оценка внедрения разработанных мероприятий ... 17В
4.1. Ориентировочная оценка экономической эффективности повышения допустимой осевой нагрузки магистральных грузовых вагонов . 173
4.2. Технико-экономическая эффективность повышения максимальной скорости движения рефрижераторного подвижного состава
Основные выводы и результаты работы J&5
Литература
- Определение требуемых расчетных тормозных коэффициентов и удельных тормозных сил грузового подвижного состава
- Критерии оценки и методика исследования сцепления колес с рельсами при торможении
- Выбор режима торможения, обеспечивающего реализацию оптимального уровня сцепления грузовыми вагонами в зависимости от величины их загрузки
- Ориентировочная оценка экономической эффективности повышения допустимой осевой нагрузки магистральных грузовых вагонов
Введение к работе
Создание материально-технической базы коммунизма связано с неуклонным ростом производства продуктов промышленности и сельского хозяйства. Быстрый рост строительства» производства промышленной продукции, а также продуктов сельского хозяйства приводит к непрерывному увеличению объема грузов, подлежащих перевозке. Так, например, грузооборот по всем видам транспорта увеличился в 1980 году по сравнению с 1976 годом с 4958,8 млрд. ткм до 5864,0 млрд. ткм. При этом на долю железнодорожного транспорта падает более 58 % перевозимых транспортом СССР грузов [1.2] . В связи же с освоением новых районов страны и вводом в эксплуатацию Байкало-Амурской магистрали следует ожидать еще более интенсивного увеличения как грузовых, так и пассанирс-ких перевозок.
Б настоящее время повышение грузооборота железных дорог СССР более чем наполовину осуществляется за счет роста размеров движения и веса (массы) грузовых поездов. Пропускная способность и размеры движения в значительной степени зависят от величины максимальной допустимой скорости на участках и направлениях железных дорог в целом.
На железных дорогах СССР допускается обращение грузовых поездов с максимальными скоростями движения до 90 км/ч. С максимальной скоростью до 100 км/ч следуют поезда, сформированные из порожних вагонов. Однако, этот уровень уже сейчас является недостаточным. Как показали исследования [ 3 ] , на ряде линий в перспективе целесообразно еще выше поднять скорость следования грузовых поездов, что практически можно обеспечить только при максимальной скорости движения порядка 100-120 км/ч. Те же исследования доказали экономическую целесообразность выделения осе— бой группы грузовых поездов - скоростных, а на более отдаленную перспективу - грузовых экспрессов с максимальной скоростью движения до 140 км/ч. Выполненные во ВНИИЖТе совместно с Гипротраяс-ТЭИ исследования [4 J позволили установить эксплуатационную и экономическую эффективность повышения максимально допустимой скорости движения грузовых поездов на сети железных дорог в условиях, близких к прогнозируемым на перспективу.
Решению задачи повышения грузоборота железных дорог в значительной степени способствует увеличение веса (массы) грузовых поездов. На практике это осуществляется как при росте длины поезда, так и при повышении его погонной нагрузки на железнодорожный путь. Оба варианта требуют достаточно серьезных технических и организационных решений, однако при удачном осуществлении их оказываются достаточно эффективными. Проведенные во ВНИИНе теоретические исследования, подтвержденные многочисленными испытаниями на Московской, Приволжской, Целинной, Западно-Сибирской и других дорогах, показали возможность и целесообразность эксплуатации грузовых поездов повышенной длины и веса.
Sa 1982 год только на Московской железной дороге проведено более 2,5 тысяч грузовых поездов массой до 10 тыс. тонн. Годовой экономический эффект на дороге от пропуска таких поездов составляет около 42,7 млн.руб. [5].
Увеличение погонной нагрузки поезда модет быть достигнуто путем расширения сферы применения большегрузных вагонов (например, 8-ми осных) а также повышением допустимой осевой нагрузки, то есть, загрузки нетто эксплуатируемых в настоящее время обычных четырехосных грузовых вагонов.
В свете постановлений ЦК КПСС и Совета Министров СССР, обеспечивающих развитие железнодорожного транспорта, а также ряда распоряжеяий МПС, одной из важнейших задач, стоящих перед транспортом в настоящее время и на перспективу, является повышение безопасности движения поездов, обеспечение которой в значительной степени зависит от автотормозов и автотормозного х-ва.
Тормозной путь поезда при прочих равных условиях пропорционален движущейся массе и квадрату начальной скорости торможения. С целью обеспечения безопасности движения поездов, особенно при увеличенной их массе и скорости движения, желательно иметь возможно меньшие величины тормозных путей, что означает необходимость повышения мощности их тормозных средств (тормозной эффективности). Проблема повышения эффективности тормозных средств подвижного состава находилась в центре внимания специалистов практически в течение всей истории развития железнодорожного транспорта. На решение этой проблемы были направлены исследования в области создания новых тормозных приборов и фрикционных узлов, совершенствования механического тормозного оборудования, разработки устройств автоматического действия, контролирующих работу тормозов и величину тормозной силы в зависимости от изменения внешних условий. Прежде всего следует остановиться на фундаментальных теоретических исследованиях отечественных ученых: В.Ф.Егорченко, Б.Л.Карвацкого, В.М.Казаринова, Д.Э.Карминского, В.Г.Иноземцева. Значительный вклад в развитие эффективного и быстродействующего тормоза подвижного состава внесли Ф.П.Казанцев, Й.П.Матросов, Н.А.Албегов, М.Д.Шокин, В.Ф.Ясенцев, Е.В.Клыков, В.И.Крылов. Всесторонние исследования и широкое внедрение получили композиционные тормозные колодки, разработанные под руководством В.Г.Иноземцева и Л.А.Вуколова. Теоретические и практические исследования методов вождения тяжеловесных поездов с учетом возникновения продольных усилий при торможении выполнены В.А.Лазаряноы и П.Т.Гребенюком.
Еа последние десятилетия большой вклад в развитие тормозной техники внесли Ростовский, Хабаровский, Ленинградский, Днепропетровский и Московский институты инженеров железнодорожного транспорта, Московский и Первомайский заводы "Трансмаш".
Научно-технический прогресс в последнее время особенно заметен и в автотормозном хозяйстве. Техническое его леревоо-ружение идет буквально по всем параметрам. Широкое применение получает электрическое торможение локомотивов, однако основным тормозом, обеспечивающим безопасность движения поездов, по-прежнему является фрикционный тормоз, использующий для создания тормозного эффекта силу сцепления колес с рельсами. Таким образом, тленно сцепление и уровень его использования (по отношению к максимально возмокному для данных условий) являются основными факторами, определяющими тормознув эффективность поезда.
Условия сцепления колес подвижного состава с рельсами были исследованы в целом ряде работ отечественных и зарубежных авторов. Еще в XIX веке Л.Пуаре, Д.Гальтоном были получены опытные зависимости силы сцепления от скорости и состояния поверхности рельсов. Позднее Г.Фаулер, Ыетцков, Л.К.Силкокс и др. уточнили и расширили представление о сцеплении. Обширные исследования были выполнены Е.Куртиусом Е А.Книффлером в IS50 г., а также несколько позднее Мюллером, Эядрюсом, Е.Г.Край-том, Г.Вебером. Б 60-е годы вопросами сцепления колес с рельсами занимаются Ф.Т.Барвелл, Тросе, К.Крафт, А.Коллинз, К.Прит-чард и другие ученые.
Б отечественных трудах проблема сцепления разрабатывалась Б.Ф.Егорченко, В.Л.Карвацким, В.М.Казариновым, Д.Э.Кардинским, Л.А.Вуколовым, Л.М.Пы&евичем. В последние годы интенсивные исследования в этом направлении ведутся ШИТом (И.ЇЇ.Исаев, Ю.М.Лукнов), РИИом, ВНИИКТом и другими организациями.
Ыногочисленные исследования процесса сцепления колес с рельсами преследовали две основные цели: установить физическую картину явления и практически оценить величину коэффициента сцепления применительно к данным условиям. Ведущее место занимало определение зависимости максимальных, минимальных или средних значений коэ Ы:ипиеята сцепления от скорости движения, осевой нагрузки и других параметров. Детерминированные зависимости, в которых были представлены результаты многолетних исследований, послужили основой для определения тяговых и тормозных характеристик при эксплуатации подвитлого состава. До тех пор, пока возможная сила сцепления колеса с рельсом использовалась не полностью, полученные зависимости в значительной мере отражали сущность происходящих между колесом и рельсом явлений. Применение их в практике расчета и проектирования подвійного состава было вполне оправдано. Однако, с появлением новых, более мощных тормозных средств, и, в особенности, тормозных колодок с повышенным коэффициентом трения возникла необходимость изыскания способов наиболее полного использования возможной силы сцепления колес с рельсами.
В силу физической природы процесса создания тормозной силы устройствами, использующими сцепление колеса с рельсом, на практике всегда имеет место определенная величина проскальзывания колеса относительно поверхности рельса. Учитывая возможное загрязнение головки рельса, а также естественные характеристики пар трения С зависимость тормозной силы от величины проскальзывания), это создает определенную вероятность перехода проскальзывания в устойчивое скольжение, т.е. заклинивания колеса. Поэтому при анализе возможностей повышения эффективности тормозных средств подвижного состава необходимо учитывать также и связанное с ним увеличение вероятности заклинивания колесных пар при торможении.
С учетом рекомендуемой на основе всесторонних исследований величины этой вероятности определяются оптимальные условия сцепления колес с рельсами для перспективных условий. Для выявления оптимальных условий сцепления надо найти достаточно простые и надежные критерии оценки оптимальности; кроме того, одновременно необходимо разработать мероприятия, обеспечивающие создание этих условий в эксплуатации.
Так как на процесс сцепления влияют независимо друг от друга многочисленные факторы, для исследования его целесообразно использовать методы теории вероятности, которые компенсируют недостаточное знание характера процессов и невозможность строгого учета конкретных законов изменения каждого фактора закономерностями их массового проявления.
Основой для применения такого метода должен являться достаточно большой объем экспериментальных данных по измерению коэффициента сцепления колес с рельсами в режимах торможения непосредственно в условиях эксплуатации. Это позволит оценить состояние поверхности рельсов и закономерности распределения участков с яомиженным сцеплением; выявить причины такого понижения и принять соответствующие меры для его стабилизации; определить степень использования максимально возможного коэффициента сцепления, а также, с учетом возможной вероятности заклинивания, найти оптимальный уровень реализуемого коэффициента сцепления. Для перспективного подвижного состава различного назначения проведение указанных мероприятий позволит дать ре комеядации об оптимальной величине расчетного коэффициента сцепления, а также научно обосновать исходные нормы нажатия тормозных колодок и режимов наполнения тормозных цилиндров вагонов.
Окончательная оценка рекомендуемых мероприятий по повышению эффективности тормозных средств с учетом оптимального использования сцепления должна выполняться путем проведения технико-экономических расчетов рассматриваемых вариантов.
Целью данной работы является:
- определение требуемых характеристик тормозного оборудования вагонов для перспективных грузовых поездов, обеспечивающих их повышенную тормозную эффективность на основе оптимального в условиях эксплуатации использования сцепления колес с рельсами при торможении.
Для этого необходимо:
- установить перспективный уровень повышения весовых и скоростных характеристик грузовых поездов и определить необходимую для его обеспечения эффективность тормозных средств;
- оценить связь расчетных и действительных показателей эффективности тормозных средств перспективных грузовых поездов с реализуемым при экстренном торможении уровнем сцепления и вероятностью возникновения юза колесных пар вагонов в эксплуатации.
- выбрать количественные критерии и разработать методику оценки фактических условий сцепления колес с рельсами в режиме торможения на участках железных дорог, определить их оптимальные для различных условий эксплуатации значения и необходимые меры обеспечения на участках и сети железных дорог в целом;
- определить расчетные параметры тормозного оборудования подвикного состава и условия его эксплуатации на сети дорог обеспечивающие оптимальное соотношение степени реализации расчетного сцепления колес с рельсами и показетелей тормозной эффективности;
- провести технико-экономическую оценку предлагаемых организационных и технических решении.
Такой принцип определения выходных параметров тормозной системы позволят по-новому подойти как к проектированию строящегося, так и к модернизации существующего тормозного оборудования подвижного состава. Они в значительной степени позволят учесть многооьразие встречающихся в эксплуатации факторов. На этой основе также можно предложить законченные комплексы тормозного оборудования для специализированных и универсальных грузовых вагонов, предназначенных для перспективных условий эксплуатации.
Определение требуемых расчетных тормозных коэффициентов и удельных тормозных сил грузового подвижного состава
Анализируя динамику роста скорости движения грузовых поездов на дорогах СССР, можно отметить период нарастания средней технической и участковой скоростей движения [ 6 ] . Особенно высокие темпы роста этих показателей наблюдались в 50-е-60-е годы. Именно в это время различные меры по улучшению организации движения поездов сочетались с введением новых прогрессивных ви дов тяги, внедрением мощных локомотивов, завершением оснащения вагонов автосцепкой и т.д. За последние же 10-15 лет рост скорости весьма незначителен, а за период 1975-1980 гг. произошло даже снижение участковой и технической скоростей движения (табл.1.1). Таблица I.I Скорости движения грузовых поездов на железных дорогах СССР Наименование показателя Величина показателя, км/ч Т 1 ! 1 Г 1955 ,1960 , 1965 11970 \ 1975 І 1980 Средняя техничес кая скорость 37,I 40,4 45,3 46,4 46,6 43,6 Участковая ско рость 24,7 28,3 33,4 33,5 33,4 30,6
В первую очередь это объясняется тем, что в последние годы . достигнутый ранее уровень максимальных скоростей движений поездов остается практически неизменным и рост средней скорости движения Скак технической, так и участковой) осуществлялся исключительно за счет улучшения организационной работы на линии. Между тем, даже при существуюзцих условиях эксплуатации «ЇЄЛЄЗШХ дорог, только увеличение допускаемой максимальной скорости движения грузовых поездов до 100 км/ч обеспечит повышение технической и участковой скоростей до 50 и 36 км/ч соответственно [4J .
Сравнивая отчетные статистические данные по грузовым перевозкам развитых капиталистических стран с соответствующими показателями перевозок по отечественным железным дорогам [?] ,
можно заметить, что даже при существенно меньшей средней дальности перевозок, техническая и максимальная скорости движения грузовых поездов во многих странах выше, чем на отечественных железных дорогах. Так средняя техническая скорость на дорогах Франции, ФЕГ, Италии, Швеции, США, Бразилии, АРЕ и некоторых других стран достигает 45-50 км/ч. Кроме того, в таких странах как Великобритания, Франция, США, ФРГ, Япония в широких масштабах организовано регулярное скоростное движение специальных грузовых поездов с максимальной скоростью движения до 120 км/ч. И тем не менне, задача повышения скорости грузовых поездов в этих странах еще не считается полностью решенной. Оценивая перспективы увеличения максимальной скорости, железнодорожные администрации находят приемлемыми следующие величины максимальной скорости движения: - для обычных грузовых поездов - 100 км/ч, - для скоростных грузовых и специальных поездов - 120 -140 км/ч.
В настоящее время как в СССР, так и за рубежом [8. 9.J наблюдается тенденция к расширению использования специализированных вагонов - изотермических, контейнерных, живорыбных, вагонов для перевозки автомобилей и т.д. Обобщая накопленный опыт перевозок этим подвижным составом, можно отметить несноль; ко характерных особенностей их эксплуатации: - меньшая, по сравнению со средней на сети дорог, загрузка вагонов и незначительные колебания ве как в сторону увеличения, так и уменьшения; - значительно более высокая стоимость грузов перевозимых специализированными вагонами (как правило, она в 5-7 раз превышает среднееетевую);
Критерии оценки и методика исследования сцепления колес с рельсами при торможении
Рассматривая возможные пути повышения тормозной эффективности грузовых вагонов на перспективу, будем исходить из предположения, что они оборудованы композиционными тормозными колодками, поскольку возможности обычных чугунных колодок в этом направлении или практически исчерпаны утке при современных условиях эксплуатации или связаны со значительным усложнением тормозной системы вагонов.
В течение последних лет институтом выполнен ряд исследовательских работ "[21, 22 j , обеспечивающих повышение максимальной скорости грузовых вагонов с 80 до 90 и 100 км/ч (с проработкой возможности движения со скоростью до 120 км/ч)[23] а рефрижераторных - до 120 и 140 км/ч. Выполнены также работы с целью повышения осевой нагрузки грузовых вагонов о 21,5 тс до 23,5гс (с проработкой возможностей увеличения ее до 25 тд При этом в качестве базовой была принята существующая схема тормозного оборудования (тормозные колодки, рычажная передача, тормозной цилиндр, воздухораспределитель, авторежим) и ее основные характеристики. Б результате исследований разработаны конкретные рекомендации, практически обеспечивающие эксплуатацию грузовых вагонов в перспективных условиях [24], [25], [26
Для повышения эффективности тормозных средств груженых вагонов всех типов, согласно разработкам института, с 1976 г. для выпускаемых из АКП воздухораспределителей грузового типа были установлены новые нормы величин давления на среднем и груженом режимах [27J . С учетом условий эксплуатации величина расчетного давления воздуха в тормозном цилиндре в настоящее время составляет: 4,0 кгс/см2 (0,4 Ш1а) на груженом режиме; 2,8 кгс/см2 (0,28 МПа) на среднем режиме и 1,6 кгс/см2 (0,16 МПа) на порожнем режиме включения воздухораспределителя [28] .
Крайние (экстремальные) значения показателей тормозной эффективности при заданном режиме торможения определяются в первую очередь допустимым разбросом величия расчетного давления в тормозных цилиндрах вагонов. В табл.1.4 приведены значения максимальных и минимальных показателей для груженого и среднего режимов включения воздухораспределителя вагона с осевой нагрузкой 21-25 тс.
С учетом изложенного исследование возможностей повышения эффективности тормозных средств грузовых вагонов целесообразно веоти применительно к использованию их в выделенных ранее группах грузовых поездов. Обеспечение тормозными средствами эксплуатации грузовых поездов I группы. Существующий порядок эксплуатации грузовых вагонов обеспечивает вождение поездов с максимальной скоростью движения до SO км/ч (поезда сформированные из порошшх вагонов имеют максимальную скорость движения до 100 км/ч). При этом воздухораспре делители вагонов, оборудованных композиционными тормозными колодками, включаются на порожний режим в случае загрузки вагона до 6 т/ось и на средний режим при большей загрузке.
На рис.1.3 приведена зависимость расчетного коэффициента тормозного нажатия типового, т.е. находящегося в настоящее время в эксплуатации, грузового вагона от загрузки (нагрузки). Как следует из диаграммы, ограничения, накладываемые с одной стороны максимально возможным сцеплением колес с рельсами, а с другой - минимально необходимой эффективностью тормозных средств при скорости движения до 100 км/ч, позволяют эксплуатировать подвижной состав с осевой нагрузкой только до 18-20 т брутто. Дальнейшее повышение осевой нагрузки вагонов возможно только при снижении максимальной скорости движения.
Применение автоматических регуляторов режимов торможения (авторежимов) на грузовых вагонах не дает полного решения проблемы, так как существующие модели авторежимов имеют довольно узкий диапазон регулирования величины давления в тормозном цилиндре в зависимости от загрузки вагона, не удовлетворяя потребности эксплуатации уже в настоящее время [29J . Так, например, при использовании серийной № 265 А 000) модели авторежима уже при загрузке вагона около 40 т реле авторежима пропускает в тормозной цилиндр воздух практически с тем давлением, которое дает воздухораспределитель (рис.1.4), что делает невозможным использование груженого режима включения воздухораспределителей при композиционных тормозных колодках. ВШШТом совместно с другими организациями ведутся обширные планомерные работы по созданию новых конструкций и модернизации существующих авторежимов с целью расширения их рабочего диапазона и улучшения рабочих характеристик [ЗОІ . Однако эти работы еще находятся в стадии исследования, а авторежимом }Ь 265 А.ООО оснащено примерно 25-30$ парка грузовых вагонов и в ближайшее время трудно ожидать кардинального решения проблема бесступенчатого регулирования тормозной силы вагона во всем диапазоне его загрузки.
Полное использование возможного диапазона давлений в тормозном цилиндре, включая поддиапазон, груженого режима воздухораспределителя С Рт,ц - 3,9-4,5 кгс/см2) как показывают расчеты.позволяет в принципе эксплуатировать грузовые вагоны, даже не оборудованные авторежимами, практически без ограничений.
Кривая, характеризующая эффективность тормозных средств вагона при включении груженого режима приведена на рис.1.3. Как видно из рисунка во всем диапазоне повышенных нагрузок она находится в регламентируемых пределах. Открытым остается только вопрос о порядке включения груженого режима, т.е. величине нагрузки (загрузки) вагона, при которой целесообразна переключение воздухораспределителя со среднего на груженый режим торможения. Этот вопрос с учетом вероятности заклинивания колесных пар вагона в эксплуатации решается в гл.Ш настоящей работы.
Выбор режима торможения, обеспечивающего реализацию оптимального уровня сцепления грузовыми вагонами в зависимости от величины их загрузки
Анализируя результаты зарубежных и отечественных исследований вопросов сцепления колес с рельсами при торможении, необходимо отметить, что имеет место не только разные методы исследования, но и различная интерпретация понятий "коэффициент сцепления", "физический", "расчетный", "эксплуатационный" и т,д.. Поэтому необходимо условиться, что конкретно будет подразумеваться под этими терминами при дальнейшем изложении.
В общем виде коэффициент сцепления является отношением горизонтальной реакции рельса ( численно равной тормозной силе колеса) к вертикальной нагрузке на колесо. Следует заметить, что в действительности тормозная сила оказывается несколько больше горизонтальной реакции рельсов (вследотвии некоторого прироста, обусловленного влиянием инерции вращающихся масс). Однако для вагонов этой разницей можно пренебречь ввиду ее незначительной величины и при определении коэффициента сцепления не учитывать.
Условимся называть коэффициент сцепления расчетным; если он характеризуется максимально возможной для данных условий тормозной силой ВТгпа}( (соответствующей моменту перехода псевдоскольжения колеса в макроскольжение). Если же тормозная сила Вт такова, что макроскольжения не наблюдается, будем называть полученный коэффициент сцепления реализованным. Принципиальное их отличие состоит в том, что величина расчетного коэффициента определяется в шрвую очередь условшШи сцепления (внешними), в то время как реализованный коэффициент сцепления зависит от величины развиваемой при торможении удельной тормозной силы 6Т , только в своем верхнем пределе совпадая по значению с расчетным. Таким образом очевидно, что множество полученных значений расчетного коэффициента будет характеризовать собой верхнюю границу возможного сцепления, а реализованного - как правило, принадлежать области допустимых значений возможного в эксплуатации сцепления колес с рельсами.
Кроме того, будем называть расчетный или реализованный коэффициент сцепления физическим, если он представляет собой отношение тормозной силы Ът к мгновенной вертикальной нагрузке и эксплуатационным» если для его определения используется статическая осевая нагрузка сг на рельсы.
К факторам, имеющим влияние на реализуемое сцепление колеса с рельсом, в первую очередь относятся перераспределение веса экипажа от инерционных сил, а также от продольно-динамических усилий. Очевидно имеют некоторое влияние статическая и динамическая дисбалансировка колесных пар, наличие эксцентриситета круга шейки оси относительно круга катания, жесткость и неровность пути и т.д. Уровень динамических сил взаимодействия подвижного состава и рельсов в эксплуатационных условиях может быть довольно высок. Практически в эксплуатации возможно совпадение неровности на колесе с неровностью пути. Совпадения двух неровностей может приводить к значительному усилению взаимодействия колес и пути в зависимости от сдвига неровностей по фазе. Как показали исследования [ 59] , при этом силы в контакте изменяться в 3-4,2 раза. Натурные измерения f60] показали, например, что при наличии ползуна глубиной 0,8 мм при скорости 80 км/ч динамические силы в зоне обода достигают 31 тс при среднем значении 22,3 тс и статической нагрузке 10 тс.
Поскольку динамическая разгрузка колесной пары кратковре-меяна, будучи по величине даке больше статической нагрузки она не приводит к обязательному немедленному заклиниванию вследствие достаточной кинетической энергии вращения колесной пары. Однако имеющиеся на поверхности катания дефекты (ползуны, навары и т.д.) оказывают определенное влияние на реализуемый коэффициент сцепления, как правило уменьшая его. Некоторыми авторами [39, 61J отмечались повышенная склонность к заклиниванию по сравнению с исправными у колесных пар, имеющих ползуны. Однако определенной корреляционной связи меаду величиной дефекта поверхности и уменьшением коэффициента сцепления установить не удалось.
Значительно большее влияние, по-видимому, должны оказывать длительные разгрузки, вызываемые инерцией и реакциями в междувагонных соединениях при торможении, время воздействия которых соизмеримо с периодом заклинивания колеса при нарушении сцепления. Продольные динамические усилия, имеющие место в поезде при торможении, развиваются в результате неравномерности действия тормозной системы в начальный период, а впоследствии от неравномерности удельных тормозных усилий различных единиц подвижного состава в процессе установившегося торможения [62] . с точки зрения возможности длительного заклинивания колесной пары начальный период торможения менее опасен нежели тормокение при максимальном давлении в тормозных цилиндрах поезда.
Ориентировочная оценка экономической эффективности повышения допустимой осевой нагрузки магистральных грузовых вагонов
Как видно из таблицы; величина реализуемого коэффициента сцепления колес с рельсами с учетом скорости движения составляет даже при давлении в тормозном цилиндре Ргп=4,0 кгс/см не более 75-85$ величины Фк номинального расчетного коэффици-ента оцепления колес с рельсами. Анализ этих данных показывает, что отношение максимального реализованного (при юзе колесной пары) коэффициента сцепления к номинальному расчетному может служить характеристикой состояния поверхности рельсов данного участка пути. Если задаться вероятностью заклинивания Pg OtIi соответствующей среднеоетевым условиям сцепления, то отношение коэффициента %, сцепления, реализованного с такой вероятностью, к расчетному номинальному будет показателем стабильности сцепления на участке и характеризовать поверхность рельсов на участке торможения в сравнении со "среднесетевыми условиями".
Многочисленные опыты в эксплуатации по проверке сцепления показали, что для участков со "среднесетевым" оцеплением отношение реализованного коэффициента сцепления (при котором вероятность заклинивания Р3=0Д) к расчетному коэффициенту сцепления близко к единице, то есть рОІ і рк «І.
Одновременно были выявлены участки, где указанное соотношение значительно меньше, т.е. при торможении с той же "средне-сетевой" вероятностью заклинивания Р3=0»1 может быть реализована только часть расчетного коэффициента сцепления и увеличение эффективности тормозных средств может вызвать на таких участках существенное повышение вероятности заклинивания колесных пар.
Проведенными исследованиями установлено, что ухудшение сцепления, как правило, носит локальный характер и зависит от таких факторов, как степень загрязнености, микроклиматические условия и т.д. Участники с пониженным уровнем сцепления обычно находятся на равнинном профиле, реже на спусках и почти ни w когда - на подъемах. Особенно высокий уровень коэффициента сцепления колес с рельсами отмечался на однопутных горных линиях, наихудшие показатели сцепления регистрировались вблизи сортировочной станции. Длина участков с пониженным сцеплением достигает по некоторым зарубекным данным нескольких метров, по нашим исследованиям - до 100-200 м. За время опытных поездок отмечено лишь несколько участков с плохим сцеплением большей протяженностью, диаграмма торможения на таком участке приведена на рис. 2.14. За время опыта противоюзные устройства сработали 7 раз, причем конечное давление воздуха в тормозном цилиндре составляло всего 1,6 кгс/см2. Если принять скорость движения в течение опыта постоянной, длина загрязненного участка составит более 4 км. Однако последующий визуальный осмотр таких участков выявил прерывистый характер загрязнений поверхности. Замасленные участки чередовались с более чистыми и, как правило, имели местный посторонний источник загрязнения. Как показали наблюдения даже в тяжелых условиях Забайкальской ж.д. загрязненные участки редко имеют большую протяженность. Характерным примером участка с плохим сцеплением является участок Львовской железной дороги Злочев-Львов протяженностью 31 км. Гистограмма числа заклинивания на этш участке при различных давлениях воздуха в тормозном цилиндре представлена на рис.2.15. Во время опытов заклинивания колесных пар тормозо-измерительного вагона происходили при давлениях от 1,6 до 4,0 кг/см при скорости движения от 40 до 90 км/ч. Распределение частоты случаев заклинивания близко к закону равной вероятности. Реализованные значения коэффициентов сцепления, распределение которых представлено на рис.2.16, являются фактически композицией нормального закона распределения и закона равной вероятности. Параметры распределения, соответствующие рис.2.16, характеризуются величинами математического ожидания р - 0,0548 и средним квадратичным отклонением у-7 =0,000158. Вероятность заклинивания колесных пар вагона на таком участке определяется функцией накопления (рис.2.17) и свидетельствует о том, что нормальная эксплуатация подвшшого состава на участках с подобным состоянием поверхности затруднительна ввиду большой опасности заклинивания колесных пар даже при регулировочных торможениях. Отношение %{ / фк для рассматриваемого участка по данным испытаний не превышает 0,34+0,36.
Характерным примером участка с условиями сцепления, близкими к средне сетевым, явилась линия Москва-Хабаровск, где опыты при участии автора проводились в зимних условиях [77J . Достаточно большая протяженность выбранного участка позволила нивелировать имеющиеся на нем местные ухудшения показателей сцепления и с достаточной степенью приближенности считать условия сравнимимы со среднесетевыми.
Для проведения испытаний был сформирован поезд, в состав которого были включены одновременно три вагона для измерения коэффициента сцепления колес с рельсами в режиме торможения. Один из вагонов был оборудован композиционными колодками 8-1-66, другой - чугунными стандартными, третий - дисковыми тормозами с накладками из композиций 5-6-60 (1-я тележка) и 140-42-70 (П-я тележка). При этом стандартная схема измерения коэффициента сцепления колес с рельсами была несколько изменена. Измененные электрическая и пневматическая схемы представлены да рис.2.18, 2.19. Они обеспечивали одновременное торможение вагонов с колодочными тормозами и обеих тележек вагона с дисковым тормозом до максимально возможного давления в тормозных цилиндрах.
