Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние исследований взаимодействия колес и рельса и износа гребней колес электровозов 7
1.1. Состояние вопроса по исследованию проблемы зависимости износа гребней колес от отдельных факторов 7
1.2. Движение железнодорожных экипажей в кривых 10
1.3. Оценка причин увеличения интенсивности износа гребней колес и боковой поверхности рельсов. Пути борьбы с повышенным износом 12
1.4. Оценка влияния режима ведения поезда на взаимодействие колес локомотивов и пути и величину износа гребней колес 17
1.5. Состояние проблемы износа гребней колес электровозов на Восточно-Сибирской железной дороге 19
1.6. Решение вопросов взаимодействия колеса и рельса с использованием системы мониторинга 21
2. Определение теоретических параметров взаимодействия колес и рельсов с учетом нелинейных характеристик действующих усилий 26
2.1. Математическая модель динамической системы взаимодействия колеса и рельса с учетом силового кинематического и инерционного возбуждения 26
2.2. Анализ вариантов изменения зависимостей внешних сил от условий взаимодействия 36
2.3. Влияние отклонения параметров колесно-моторного блока на характер изменения силы тяги на ободе колеса 43
2.4. Определение количественных характеристик износа гребней при взаимодействии колес с рельсами в кривых участках пути 47
3. Анализ результатов взаимодействия электровоза и пути в кривых с помощью теоретических оценок 51
3.1. Характеристика исходных параметров расчета. 51
3.2. Анализ результатов расчетов 59
4. Корреляционный и регрессионный анализ результатов экспериментальных замеров 68
4.1. Анализ факторов, влияющих на износ гребней колес электровозов-толкачей, по результатам предварительных обмеров на Восточно-Сибирской железной дороге 68
4.2. Статистическое планирование эксперимента 70
4.3. Порядок проведения эксплуатационных наблюдений за износом гребней колес колесных пар электровозов на Восточно-Сибирской железной дороге в период с 1995 по 2000 год 72
4.4. Исключение грубых систематических и случайных ошибок из эмпирического материала. Доверительный интервал и доверительная вероятность опытных данных 77
4.5. Проверка нормальности закона распределения случайной величины 80
4.6. Операции множественного регрессионного анализа методом включения факторов или методом всех регрессий 88
4.7. Проверка значимости уравнения регрессии и коэффициентов уравнения регрессии 97
5. Прогнозирование работы колесных пар электровозов 108
5.1. Программный комплекс по выбору оптимального варианта обточки и размещения колесных пар под электровозом 108
5.2. Определение экономического эффекта от внедрения программного комплекса « Выбор оптимального варианта обточки и размещения колесных пар под электровозом» 114
Выводы 123
Список использованных источников 125
Приложение 141
- Оценка причин увеличения интенсивности износа гребней колес и боковой поверхности рельсов. Пути борьбы с повышенным износом
- Влияние отклонения параметров колесно-моторного блока на характер изменения силы тяги на ободе колеса
- Определение количественных характеристик износа гребней при взаимодействии колес с рельсами в кривых участках пути
- Порядок проведения эксплуатационных наблюдений за износом гребней колес колесных пар электровозов на Восточно-Сибирской железной дороге в период с 1995 по 2000 год
Введение к работе
В последние годы на железных дорогах существенно возросла интенсивность износа колес подвижного состава и рельсов в кривых. Все меры, предпринимаемые сегодня на сети дорог по ликвидации сверх интенсивного износа гребней колесных пар (смазка, наплавка гребней, закалка), необходимы и целесообразны, но они направлены или на восстановление гребней, или на снижение износа. Причины многократного увеличения интенсивности износа не определены до конца, а соответственно и не могут быть устранены. В связи с этим техническое обслуживание колесных пар требует серьезных материальных затрат. Огромные средства расходуются только на замену выработавших ресурс колес и рельсов.
Для существенного замедления происходящих процессов износов взаимодействующих элементов пути и подвижного состава необходимо установить причины изменения технических характеристик системы взаимодействия и определить, управляя какими факторами можно с наименьшими затратами решить задачу.
Для сравнения можно вспомнить, что износ гребней в 60е годы без специальных мер по борьбе с износом был в СССР значительно ниже, чем на железных дорогах Европы. При этом в первые 20 тыс. км пробега интенсивность износа гребней колес была в среднем, по данным ВНИИЖТа, примерно в 2,3 - 2,6 раза [122] выше, чем интенсивность износа поверхностей катания. По мере увеличения пробега на участках с количеством кривых менее 20% износ гребня снижался, а затем прекращался вообще. Прокат колеса возрастал с пробегом до браковочного размера. То есть, обточка колесных пар проводилась по пробегу, а специальных обточек по износу гребней практически не было. На участках пути с большим количеством кривых на долю проката приходилось 70% всех обточек и только 30% на обточку по причине подреза гребня, перекоса оси, разности диаметров и другим причинам [108]. В настоящее время обточка колес производится, в основном, не по предельному прокату, как раньше, а из-за
интенсивного износа гребней. Установлено, что в настоящее время интенсивность износа гребней колес на ряде участков дорог (Юго-Восточной, Забайкальской, Южно-Уральской, Восточно-Сибирской, Северо-Кавказской и др.) в 1,5-2,5 раза выше, чем прокат [14]. Установленные в 1994 году указанием МПС сроки службы локомотивного бандажа не менее 600 тыс. км пробега сегодня не выдерживаются. Причиной уменьшения ресурса в основном является износ гребней, т.к. ресурс колесных пар до полной замены или замены бандажа вне зависимости от большого числа факторов, влияющих на их работу, определяется величиной пробега между обточками, количеством обточек и объемом металла, снятого при обточках.
Оценка причин увеличения интенсивности износа гребней колес и боковой поверхности рельсов. Пути борьбы с повышенным износом
Проблема интенсивного износа гребней колес и боковой поверхности головок рельсов, обострившаяся на сети железных дорог РФ с конца 80-х годов, связана как с трибологическими процессами в контакте, так и с процессами взаимодействия подвижного состава и пути. Усилия исследователей направлены на выявление факторов, наиболее существенно влияющих на интенсивность изнашивания. Исследование причин этого явления проводилось научными силами ВУЗов и научно- исследовательских институтов в течение длительного времени.
В работах М.Ф. Вериго [22-27] подробно рассмотрены проблемы взаимодействия пути и подвижного состава в кривых малого радиуса и борьбы с боковым износом колес и рельсов. Влияние неровностей пути в плане на возникновение интенсивного износа отмечено в теоретических работах М.Ф. Вериго [22], посвященных исследованиям причин бокового износа.
В работе [24] предложена математическая модель боковых колебаний четырехосного грузового локомотива при движении в кривой. Рассматривается качение и проскальзывание колес в режимах выбега и торможения. При определении продольных сил предполагается, что из-за разности радиусов кругов катания одно из колес имеет постоянный упругий контакт, а другое проскальзывает. На такой характер движения в кривых впервые указал Н.Е. Жуковский [59].
А.Я. Коган предложил нелинейную модель качения колесной пары по пути со случайными отступлениями в плане и по уровню, в том числе и в кривой [78]. Интенсивность бокового износа пары колесо-рельс автор напрямую связывает с основным и дополнительным в кривых удельными сопротивлениями движению экипажа [77]. Сопротивление движению поезда определяется в зависимости от состояния пути и подвижного состава.
Математическое моделирование процесса износа в работах А.Я. Когана [77-80] и М.А. Левинзона [94] позволило дать теоретические оценки влияния различных факторов на интенсивность бокового износа рельсов и подреза гребней колес. Исследовались следующие факторы: радиус кривой, ширина колеи, непогашенное ускорение, статическая осевая нагрузка, продольные силы в поезде, неисправности в шкворневом узле тележки грузового вагона, профиль колеса и головки рельса, поперечная жесткость пути, коэффициент трения на поверхности катания колеса по рельсу. Полученные результаты показывают, что при изменении ряда параметров: непогашенного ускорения, ширины колеи, осевой нагрузки вагона и т.д. возникает переход тележки вагона из одной установки в другую. Максимальное изменение характера износа при смене установки наблюдается при переходе от свободной установки к установке наибольшего перекоса, что сопровождается скачкообразным нарастанием угла набегания первой походу оси колесной пары. В качестве основных причин, вызвавших увеличение темпов износа гребней колес в работе группы авторов (В.М. Богданов, Ю.А Евдокимов., В.Н. Кашников, И.А. Майба) [13] названы - перекос оси колесной пары вследствие разности диаметров колес, неравномерности износа подпятников, шкворня, ползунов и других дефектов механической части вагонов. Наличие дефектов резко изменяет геометрию контактирования боковых поверхностей гребня колеса с боковой гранью рельса. Смена рельсов на новые также приводит к интенсивному износу гребней колес в период приработки. Стабилизировать и снизить интенсивность износа предлагается двумя способами: снижением коэффициентов трения сопряженной пары путем применения смазочных материалов; уменьшением величины бокового удельного давления в зоне контактирования пары колесо-рельс конструктивными способами, в том числе путем управляемого движения рельсовых экипажей.
В работах В.О. Певзнера [124,125] сделан вывод о том, что ширина колеи не является фактором, существенно влияющим на интенсивность бокового износа рельсов, а в большей степени он зависит от содержания ходовых частей подвижного состава. Интенсивность износов предлагается снизить широким внедрением лубрикации.
Оценка влияния отклонений параметров тележки грузового вагона на изнашивание пары колесо-рельс с помощью методов математического моделирования выполнена в работах И.А. Жарова, СМ. Захарова, Т.Е. Коньковой [55-57]. Разработанная математическая модель позволяет оценить влияние на проскальзывание и износ колесной пары изменения положения мгновенной оси ее вращения, а также учета тормозящих моментов вертикальных сил, которые возникают вследствие забега точки контакта колес и рельсов при движении в кривой малого радиуса и ряда других факторов.
В работах B.C. Коссова [84-86] показано, что перекосное положение колесной пары несущественно влияет на характер движения электровоза в кривой, однако, при движении в прямой направляющее усилие и фактор износа зависят от угла перекоса колесной пары.
Влияние отклонения параметров колесно-моторного блока на характер изменения силы тяги на ободе колеса
Методы технико-экономических расчетов, связанных с эксплуатацией электровозов, базируются на номинальных характеристиках тяговых двигателей и электровозов в целом. В действительности тяговые двигатели имеют характеристики, более или менее отличающиеся от номинальных. Отклонение действительных характеристик отдельных тяговых двигателей и узлов электровоза от номинальных оказывает существенное влияние на тяговые свойства электровозов. Формула для расчета силы тяги на ободе колеса представлена для случая, когда разность диаметров колес накладывается на отклонения от номинальных характеристик параллельно работающих двигателей при условии, что отклонение таких параметров, как магнитный поток главных полюсов, сила тока двигателей, кпд тяговой передачи и двигателей, установленных на одну тележку электровоза, находятся в пределах технологических допусков. С точки зрения эксплуатации наиболее важным является определение расхождения тяговых усилий отдельных осей и того, какое влияния они оказывают на работу электровоза [65,67]. Для получения необходимых зависимостей учтены факторы, отражающие существенные связи между величинами. Сила тяги в функции нагрузки тягового двигателя имеет вид где CF - конструктивная постоянная; Ф - магнитный поток главных полюсов; Iа - ток якоря; D6 - диаметр бандажа; д. - передаточное отношение зубчатой передачи; Гдв - коэффициент полезного действия (КПД) двигателя; г - КПД передачи.
В работе Исаева И.П. [ 65] характеристики тяговых двигателей определяются значениями ряда параметров, которые являются в свою очередь функцией многих случайных величин. Все параметры, определяющие характеристику двигателя, представлены в виде алгебраической суммы номинального значения параметра и некоторой случайной величины, представляющей отклонение параметра относительно этого номинала.
В качестве пределов, в которых должна быть заключена эта случайная величина, приняты технологические допуски на данные параметры. Далее отмечено, что случайные величины, определяющие характеристики двигателей, независимы друг от друга, и для них справедливо утверждение, доказанное А. М. Ляпуновым, о том, что закон распределения суммы большого числа независимых случайных величин, каждая из которых распределена по любому закону, стремится к нормальному. При этом приближение к нормальному закону тем больше, чем больше число этих независимых случайных величин. Это позволяет при статистическом распределении функции п независимых случайных величин представить каждую из них в виде суммы ее математического ожидания и случайного отклонения. Так как характеристика тягового двигателя - функция «-мерных случайных величин, то распределение функции следует охарактеризовать так же, как и одной случайной величины, с помощью математического ожидания этой функции и ее стандартного отклонения. Математическое ожидание этой функции представлено ее значением при номинальных величинах параметров тяговой характеристики. где Ф ,Ia,D6,Tfde,rfd - номинальные значения соответствующих величин.
Случайное значение функции независимых переменных, имеющих случайные приращения, представлено через ее стандартное отклонение, как где С)ф,С)І,С)І),С) ,Q„ - малые случайные приращения независимых переменных; (J F- стандартное отклонение электротяговой характеристики, отнесенной к ободу колеса. производные силы тяги по Расхождение токов параллельных цепей тяговых двигателе в зависимости от расхождения диаметров колес и величины нагрузки тяговых двигателей оценено на основании скоростной характеристики. Для перехода от электромеханической характеристики к электротяговой учтено, что Значение с j дают представление об изменении разброса отклонений токов параллельно работающих двигателей в зависимости от отклонения диаметров колес электровоза. Таким образом, чтобы определить отклонение от номинального значения заданной функции, следует определить ее частные производные по независимым переменным, представляющие собой интенсивность изменения этой функции, и подставить в них математические ожидания этих переменных. Поскольку при исследовании отклонений характеристики тягового двигателя интенсивность изменения ее по соответствующим переменным различна, то задача об оценке стабильности этой характеристики заключается в отыскании параметра, наиболее существенным образом влияющего на ее отклонение.
Определение количественных характеристик износа гребней при взаимодействии колес с рельсами в кривых участках пути
Как и всякая трибологическая система, кинематическая пара колесо-рельс подвержена износу. Критерии износа можно условно разделить на три группы: линейные, весовые и энергетические [34]. Энергетический критерий износа позволяет с помощью таких показателей, как сила трения в точке контакта колеса и рельса и скорость скольжения отразить энергетическую сторону процесса взаимодействия колеса и рельса. В связи с этим качественная оценка износа производилась вычислением мощности и работы сил трения в зоне контакта. Мощность трения как функция времени W(t) определяется в зависимости от величины сил трения и скорости скольжения в продольном и поперечном направлении. Поскольку Wj (t) - величина переменная, для расчетов использовалась средняя мощность за промежуток времени, или удельная работа трения А . на участке пути. Таким образом, А . используется в качестве критерия износа гребня колеса при вписывании в кривую. Интенсивность износа гребня колеса напрямую связана с работой А . силы трения [78].
При набегании колесной пары на рельс с углом набегания ajобразуется забеге,- =хк, (рисунок 2.4) равный продольному горизонтальному расстоянию от мгновенного центра вращения колеса до точки К касания колеса и рельса. Действующая в точке контакта нормальная сила Nf (таблица2.1) определяет величину сил трения Nj f. Работа этой силы на перемещении ds определяется равенством dA = Nj- f -ds, учитывая, что где dx- дифференциал пути, пройденного колесной парой в направлении движения. При одном обороте колеса боковая поверхность гребня теряет количество металла с площадью поперечного сечения ASi и объем металла dVj = ASj dx при проходе колесом расстояния dx. Отношение работы силы трения к объему металла, потерянного при износе составляет где С - сопротивление износу стали бандажа колеса. Боковой износ гребня при пробеге колеса L С использованием предложенной методики удельный износ гребня набегающего колеса определен в зависимости от величины параметров, определяющих положение экипажа при вписывании в кривую. Таким образом, метод исследования представляет собой анализ пространственной системы сил взаимодействия пути и подвижного состава, выполненный на основе законов аналитической механики, описывающих движения сложных механических систем с использованием численных методов решения систем нелинейных алгебраических уравнений.
На основании разработанных расчетных схем создана математическая модель движения тележек электровоза в кривых малого радиуса, позволяющая получить закономерности изменения углов установки набегающих и не-набегающих колес и сил нормального давления гребней колес на рельс при движении по круговым кривым. В математической модели впервые получены расчетные схемы, позволяющие для любых условий вписывания тележки в кривую заданного радиуса рассчитать значение углов, определяющих в конечном итоге величину износа гребня с учетом угла набегания, превышающего допустимые значения; выполнен расчет интенсивности износа гребня колеса с учетом удельного сопротивления движению электровоза; рассмотрена кинематика тележек электровоза при вписывании в кривую с учетом перераспределения нагрузок между колесами колесной пары и тележки в зависимости от режимов ведения поезда; исследованы процессы движения локомотивной тележки в режимах тяги, выбега и торможения при разности диаметров колес с учетом отклонения от номинальных характеристик параллельно работающих двигателей.
Порядок проведения эксплуатационных наблюдений за износом гребней колес колесных пар электровозов на Восточно-Сибирской железной дороге в период с 1995 по 2000 год
С целью выявления интенсивности износа гребней колес колесных пар электровозов на участке главного хода Восточно-Сибирской железной дороги от станции Тайшет до станции Петровский Завод, северного хода от станции Тайшет до станции Таксимо и на участке подталкивания Большой Луг -Слюдянка выполнен анализ работы и технического состояния колесных пар электровозов различных серий, работающих в подталкивании, в грузовом и пассажирском движении. На участке Тайшет - Петровский Завод в грузовом движении работают электровозы серии ВЛ85 приписки депо Нижнеудинск, в пассажирском движении электровозы ВЛ65 приписки депо Иркутск-сорт; на участке Тайшет - Коршуниха, Усть-Илим, Таксимо - электровозы серии ВЛ85 приписки депо Вихоревка и на участке Большой Луг - Слюдянка -электровозы- толкачи серии ВЛ80Р приписки депо Иркутск-сорт. Для анализа были выбраны по пять электровозов каждой серии на каждом участке (таблица 4.1).
Анализ износа гребней колесных пар электровозов производился на основании замеров диаметра колеса, толщины бандажа, проката и толщины гребня. Замеры толщины гребня, проката по кругу катания производились специальным шаблоном, а замеры диаметра колеса - скобой ДК в соответствии с руководящими документами МПС [64]: "Инструкция по формированию и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм." - ЦТ/4351 от 31.12.1985г, "Методика выполнения измерений при освидетельствовании колесных пар колеи 1520м" - РД 32 ЦВ 058 От 30.12.1997г.
В целях получения более точных результатов измерений [1] на каждой колесной паре электровозов были нанесены риски и выполнял замеры, как правило, один человек (мастер цеха).
Обмеры колесных пар производились при постановке локомотивов на плановый вид ремонта первого объема ТР-1 в локомотивных депо Нижне-удинск, Вихоревка, Иркутск-сорт. Восточно-Сибирской железной дороги. Обмеры выполнялись в осенне-зимний период ежегодно с 1995 по 2000 год. Во время работы электровозов между обмерами колесных пар производился контроль и полный анализ маршрутов машинистов, работавших на этих электровозах. При анализе маршрута машиниста учитывалось движение электровозов в четном и нечетном направлении, вес и длина поезда, выполненная работа (тонно-км брутто), применение рекуперативного торможения, общий расход электроэнергии, количество остановок поездов, время в пути. Для каждого электровоза обработано около ста маршрутов машинистов, из каждого маршрута взято по пятнадцать данных. Количество замеров по ко- лесным парам двенадцатиосного электровоза равно 196. Таким образом, для одного электровоза за контрольный период собрано более полутора тысяч данных. Для сбора данных была разработана формы, представленные в таблице 4.2.
После обработки данных, полученных из первичных документов (маршрутов машинистов, журналов обмера колесных пар) для каждого контролируемого электровоза за контрольный период, были получены данные не только об износе колесных пар, но и о количестве перевезенного груза, выполненном пробеге, количестве электроэнергии, затраченной на тягу и рекуперированной при электрическом торможении отдельно для четного и нечетного направления движения. Контролируемый период составил от двух до четырех зимних месяцев. Данные для электровозов грузового движения ВЛ85 и электровозов пассажирского движения ВЛ65 были получены в 1998 - 2000 году. С 1996 года и по настоящее время по всей протяженности ВСЖД специально оборудованными локомотивами выполняется смазка рельсов, а гребнесмазывателями на локомотивах - смазка гребней колес всех электровозов. Качество смазывания считается удовлетворительным. Электровозы В Л 85 имеют бандажи преимущественно с профилем Зинюка - Никитского, большая часть которых подвергается упрочнению.
Участок Тайшет - Петровский Завод имеет сложный план и профиль пути. Протяженность участка составляет 1268 км. Руководящий подъем для четного и нечетного направления составляет от 10 %о (Тайшет -Нижне-удинск) до 17,9 %о ( Иркутск- Слюдянкка и Улан-Удэ -Петровский Завод). Протяженность кривых -1036,6 км или 81,9% от протяженности всего участка. В среднем на каждые 100 км приходится 167 кривых. Участок Иркутск - Слюдянка обслуживается с применением подталкивания грузовых поездов весом более 3200т для ВЛ85 и 2200 для ВЛ80Р.
Характеристика участков, на которых проводился эксперимент приведена в таблице 4.3. На всех участках уложены 25-метровые рельсы типа R65 на деревянных шпалах. Приказом 229/Н-96г установлена весовая норма и длина грузовых поездов на участках: Тайшет - Петровский Завод - 5800-6000 тонн и 75 условных вагонов; Тайшет - Таксимо -5600 тонн и 71 условный вагон. Участок Тайшет - Таксимо протяженностью 1502 км с большим числом кривых, протяженность которых составляет 85% от общей длины участка. Руководящий подъем в четном и нечетном направлении составляет 17,6%о. На участках Турма - Тарея, Коршуниха- Хребтовая, Лена -Чудничный, Тыя-Гоуджекит, Кунерма -Дабан, Ангаракан -Казанкан используется подталкивание для грузовых поездов весом более 3200т для электровозов ВЛ85 и 2200 для электровозов ВЛ80Р. Участок Лена - Таксимо, протяженностью 765 км, однопутный.
Для выполнения многофакторного регрессионного анализа собранные данные были подвергнуты предварительной обработке. В результате предварительной обработки данных были составлены исходные матрицы.
Для электровозов ВЛ80, ВЛ85, работающих по главному ходу с грузовыми поездами, был принят следующий порядок составления исходных матриц: 1. Для каждого колеса (левого и правого) каждой (четной и нечетной) колесной пары внесены данные по толщине гребня. 2. Для определения зависимости износа гребней от разности диаметров в матрицу были внесены данные по максимальной разнице диаметров колес на тележку ADmen и по максимальной разнице диаметров колес на электровоз ЛОэл, полученные в результате обработки данных по замеру диаметров колес. 3. В матрицу внесены данные по расходу электроэнергии на тягу, по количеству рекуперированной энергии, по количеству перевезенного груза, по пробегу для каждого электровоза за контрольный период.
Исходные матрицы для электровозов - толкачей, для электровозов грузового движения северного хода и электровозов пассажирского движения были составлены по той же методике.
