Введение к работе
Актуальность решаемой проблемы. Наблюдаемая в последнее время тенденция повышения стоимости изделий из металлов, а также энергии, затрачиваемой на движение транспортных средств, требует решения проблемы создания новых конструкций и технологических способов, позволяющих уменьшить затраты на эксплуатацию и содержание транспорта.
Одним из направлений, которым сегодня заняты многие разработчики, является проектирование конструкций рельсового подвижного состава, в котором уменьшен износ системы «колесо-рельс».
Проблема широко и интенсивно обсуждается научно-технической общественностью. Имеется большое число предложений, ориентированных на меры уменьшения интенсивности этого износа колес и рельсов: изменение размерных параметров ширины рельсовой колеи, лубрикация, модернизация профиля поверхности катания колес, создание тележек с радиальной установкой колесных пар, применение колесных пар с независимым вращением колес на оси, или с регулируемой разностью угловых скоростей вращения. Одним из способов уменьшения указанного износа является новое техническое решение, защищенное патентами, выданными автору реферата в разных странах, заключающееся в применении колесных пар дифференциального вращение (КПДВ), в которых при определенных условиях обод колеса может проворачиваться на колесном центре, снижая или вообще исключая возможность скольжения колеса по рельсу.
Поэтому реферируемая научная работа, в которой исследуются общие свойства колес дифференциального вращения (КДВ), колесных пар с различными КДВ и экипажей, в которых использованы эти конструкции, актуальна и представляет большой научный и практический интерес.
Цель работы. Колесные пары относятся к числу массовых узлов подвижного состава рельсового транспорта, оказывающих наибольшее влияние на безопасность движения. Поэтому необходимы глубокие научные оценки, которые бы гарантировали, что новые технические решения, обеспечиваю-
4 щие сокращение износов, по крайней мере, не ухудшают другие показатели безопасного хода. Весь диссертационный материал ориентирован на объективную оценку предложенного технического решения в сопоставлении с традиционными решениями, и в этом заключается цель работы.
Общая методика исследований. Работа производилась на основе разработки и анализа математических моделей, с помощью которых исследовались конструкции с традиционными колесными парами (ТКП) и КПДВ. При этом использовался подход последовательного усложнения моделей, начиная от одиночного колеса до рассмотрения всей единицы подвижного состава.
В зависимости от уровня сложности модели использовались либо аналитические, либо численные методы анализа, включая метод конечных элементов (МКЭ). Широко использовались программные комплексы, разработанные в Брянском Государственном Техническом университете под руководством д.т.н. проф. Погорелова Д.Ю., д.т.н. проф. Сокало В.И., в Воронежском Государственном техническом университете под руководством профессора, к сожалению, ныне покойного, Гольника Э.Р. и в ФГУП Московского института теплотехники.
Кроме математического моделирования широко использовались экспериментальные методы анализа работы колесных пар на специальных физических моделях и натурных колес на стендах. Осуществлялись испытания на реальных трассах и объектах (в Московском метрополитене и на линиях Орловского и Московского трамваев).
Таким образом, обеспечивалась объективность оценки качества предлагаемого технического решения.
Научная новизна. Разработаны различные варианты конструкций для рельсовых экипажей нетрадиционных колесных пар, выполненных в виде единого для двух колес центра, на концах которого с гарантированным зазором установлены два обода. При этом каждый обод имеет возможность катиться по своему рельсу. По сравнению с ТКП механика предложенной конструкции представляется существенно более сложной и совершенно не изу-
5 ченной. В системе «колесная пара - рельс» появилась промежуточная нежесткая фрикционная связь, свойства которой, влияние ее на работоспособность колес должны быть раскрыты. Разработка моделей процессов, происходящих в дифференциальном колесе, их исследование представляют один из новых научных результатов.
При этом возникла необходимость решения новых прикладных задач теоретической механики и теории упругости, результаты которых в дальнейшем использовались в моделях рельсовых экипажей.
Другой существенный научный результат заключается в разработке двух нелинейных математических моделей непрямолинейного (извилистого) движения КПДВ и рельсовых экипажей с такими колесными парами.
В физически и геометрически нелинейной модели второго уровня используется тщательная аппроксимация формы поверхностей контакта колес и рельсов, которая оказывается эффективной при изучении величин боковых смещений колесной пары, а также изнашивания рабочих поверхностей.
Третий значительный новый научный результат связан с разработкой и анализом различных теоретических моделей рельсовых экипажей, оборудованных КПДВ и экспериментальной проверки их свойств на физических моделях и в натурных экспериментах.
Практическая ценность. Предложенные конструкции КПДВ получили в работе исключительную теоретическую и экспериментальную проработку, которая, в конечном счете, показала их высокие рабочие качества. Их применение существенно снижает износовые повреждения поверхностей катания колес и головок рельсов. При этом ходовые качества вагонов улучшаются, а показатели безопасности движения удовлетворяются в полной мере.
В результате анализа математических моделей колес, а также единиц подвижного состава с различными вариантами колесных пар, получена обширная новая информация, которую можно использовать при решении вопросов о полезности изменений, выносимых в конструкции этого важного узла подвижного состава железных дорог и городского рельсового транспор-
та. Кроме того, при соответствующей проработке возможно применение этого решения также для большегрузных автопоездов.
Реализация результатов работы. Новые колесные пары были внедрены на опытных образцах вагона метро и трамвайного вагона. Разработаны и изготовлены опытные колеса для грузовой тележки, решается вопрос о расширении внедрения этих узлов на других видах подвижного состава железных дорог.
Апробация работы. Основные этапы и результаты работы докладывались на 46 Российских и Международных конференциях: в России (Москва: МИИТ; Санкт-Петербург: ПГУПС; Новочеркасск: ВЭлНИИ), на Украине (Днепропетровск: ДИИТ, Луганск: ВУГУ), в Венгрии (Будапешт: Будапештский политехнический институт), в Германии (Ганновер: Технологический университет), в Дании (Копенгаген: Датский технический университет), Японии (Канагава: Канагавский технологический институт), в Англии (Манчестер: Манчестерский государственный университет), в Италии (Милан: Миланский политехнический университет), в США (Балтимор: ASME/IEEE железнодорожная конференция).
Публикации. Материалы, представленные к защите, опубликованы в монографии и в 97-х научных работах по данной тематике, из которых 33 являются патентами на изобретение.
Структура и объем монографии. Монография состоит из оглавления, предисловия, введения, основных условных обозначений, семи глав и списка литературы из 298 позиций. Общий объем работы составляет 740 с, включая текст, рисунки, таблицы и графики.
