Введение к работе
Актуальность работы. Внедрение в локомотивный парк новых электровозов позволило осуществить переход на прогрессивные технологии поездной работы, связанные прежде всего с увеличением длины и массы составов. Однако эксплуатация электровозов на перевальных участках дорог с кривыми малого радиуса показала, что вписывание их в такие кривые с тяжеловесными составами сопряжено с увеличением энергозатрат на преодоление сопротивления движению, с ростом интенсивности бокового износа гребней колес.
Анализ плана и продольного профиля Забайкальской железной дороги, имеющей участки с затяжными подъемами, показал, что более 30 % общей протяженности дороги составляют кривые, третья часть которых - кривые малого радиуса. План и продольный профиль Дальневосточной железной дороги во многом идентичны с Забайкальской; здесь выделяются участки Архара-Бира, Уссурийск-Владивосток, Угловая-Находка, Комсомольск-Советская гавань с подъемами до 27 %о, имеющими протяженность кривых от 45 % до 54 %, а среди них кривые малого радиуса составляют более половины.
Движение тяжеловесных поездов на перевальных участках с кривыми малого радиуса осуществляется кратной тягой с подталкиванием. Так на участке Смоляниново-Находка для продвижения тяжеловесных составов используют до четырех электровозов 2ЭС5К «Ермак» (4 секции в голове и 4 секции в хвосте состава). При этом гребни набегающих локомотивных колес сильно прижимаются к головке рельса, а токовая нагрузка тяговых двигателей достигает максимально допустимых значений. В результате увеличиваются энергозатраты на преодоление сопротивления движению электровозов и возрастает интенсивность износа гребней колесных пар. Подобный характер вписывания электровозов отмечается и на других участках дорог с кривыми малого радиуса.
Попытки решения этой проблемы смазыванием контактирующих поверхностей рельсов и гребней колес не дали эффективных результатов, так как не удалось подобрать легкодоступную смазку и надежную технологию ее нанесения на боковую поверхность головки рельса или же на рабочую поверхность гребня колеса. Не получило широкого развития и предложение о замене существующего профиля поверхности катания колес криволинейным профилем, обладающим большей износостойкостью. Реконструкция пути (увеличение радиусов кривых и уменьшение подъемов) из-за ее большой стоимости в настоящее время не планируется. По данным проектного института «Дальгипротранс» только для реконструкции участка Смоляниново-Находка (171 км) в ценах 2007 года затраты составят 3 336,3 млн. руб.
Необходимо искать иное решение проблемы снижения энергозатрат и уменьшения износа гребней локомотивных колес в кривых малого радиуса. Для этого, прежде всего, нужно определить причины, вызывающие указанные негативные явления, и затем определить пути их устранения. Задача осложняется, тем что, несмотря на большое число исследований вписывания локомотивов в кривые, особенности этого вписывания в кривые малого радиуса не раскрыты в должной мере. Не выявлены закономерности изменения расположения локомотивных тележек в рельсовой колее при последовательном проходе входной переходной кривой, круговой кривой малого радиуса и выходной переходной кривой. Отсутствуют аналитические выражения (формулы) для сил бокового дав-
ления на рельс гребней набегающих колес. Без таких формул невозможен анализ влияния различных факторов на величину этих сил и соответственно на величину названных энергозатрат и на интенсивность износа гребней колес и рельсов.
Данные вопросы решены в представленной работе. На их основе определены причины увеличения энергозатрат на преодоление сопротивления движению электровозов и роста интенсивности износа гребней колес и рельсов в кривых малого радиуса, указаны пути устранения этих причин, что подтверждает не только научное и прикладное значение работы, но и ее безусловную актуальность.
Цель работы. Исследование влияния эксплуатационных факторов и конструктивных параметров электровозов и рельсовой колеи на увеличение сопротивления движению и интенсивность износа гребней локомотивных колес и рельсов в кривых малого радиуса, разработка мероприятий по снижению такого влияния.
Основные задачи исследования.
Разработка универсальной математической модели динамического вписывания тележек многосекционных электровозов в переходные и круговые кривые малого радиуса.
Определение по результатам численного анализа полученной математической модели основных факторов, влияющих на увеличение энергозатрат и на интенсивность износа гребней локомотивных колес.
Экспериментальное исследование в поездных условиях явлений, сопровождающих вписывание электровоза в кривые малого радиуса, сопоставление эксплуатационных и ранее полученных расчетных значений параметров движения.
Выбор способа снижения энергозатрат и интенсивности износа гребней локомотивных колес в кривых малого радиуса, проверка эффективности выбранного способа.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели использовались аналитические методы исследования сложных механических систем, включая методы исследования устойчивости их невозмущенного движения; методы вычислительной математики в среде компьютерной алгебры Maple; в эксперименте применялись методы регистрации движущихся объектов с использованием спутниковых средств определения их местоположения (GPS) и компьютерные методы синхронизации всех измеряемых параметров.
Научная новизна. В работе впервые получены следующие научные результаты.
Создана универсальная математическая модель динамического вписывания локомотивной тележки во входную переходную кривую, далее в круговую кривую малого радиуса, и затем в выходную переходную кривую, позволяющая для многосекционных электровозов определять силу бокового давления на рельс гребня каждого набегающего колеса в любом выбранном положении локомотива в этих кривых.
Доказано, что невозмущенное движение локомотивной тележки в круговой кривой малого радиуса и в соответствующих переходных кривых является устойчивым по первому приближению. Этот вывод в дальнейшем учитывается при
разработке системы автоматического управления положением тележек в кривых малого радиуса.
Теоретически подтверждена наблюдающаяся в практике поездной работы следующая закономерность движения тележек магистральных электровозов в кривых малого радиуса: при вписывании электровоза в такую кривую с постоянной скоростью каждая его тележка на первых метрах входной переходной кривой устанавливается в рельсовой колее так, что гребень передней колесной пары касается наружного рельса. Угол перекоса тележки и углы разворота осей колесных пар в этой кривой равномерно увеличиваются от их начальных значений до фиксированных значений в круговой кривой. В выходной переходной кривой названные углы равномерно уменьшаются от их фиксированных значений в круговой кривой практически до нуля. С увеличением значений этих углов растут силы давления на рельс гребней набегающих колес (до 100 кН), возрастает сопротивление движению локомотива и интенсивность износа гребней колес. Основное влияние на увеличение угла перекоса тележки и углов разворота осей колесных пар в кривых малого радиуса оказывают силы крипа в точках контакта колес с рельсами.
Из расчетов следует, что в современных условиях существуют ограниченные возможности для уменьшения сил давления на рельс гребней набегающих колес и снижения влияния отрицательных факторов на работу электровозов в кривых малого радиуса. Для радикального решения этой проблемы необходимо разрабатывать системы автоматического управления положением локомотивных тележек в рельсовой колее.
Обоснована возможность управления положением в рельсовой колее тележек серийных электровозов при движении в переходных и круговых кривых малого радиуса с целью уменьшения энергозатрат на преодоление сопротивления движению и снижения интенсивности износа контактирующих поверхностей гребней колес и головок рельсов. Управление осуществляется за счет принудительного разворота либо тележки относительно кузова секции электровоза, либо оси передней колесной пары относительно рамы тележки, либо одновременно и тележки и оси колесной пары.
Выполнено теоретическое исследование вписывания в кривые малого радиуса тележек серийных электровозов, оборудованных различными вариантами управляющих устройств, с определением показателей эффективности управления, а именно, наибольших значений величины управляющего момента, силы бокового давления гребня колеса на наружный рельс, углов набегания колес на рельсы.
Практическая значимость. Предложены схемы трех разворачивающих устройств, рекомендуемые для практического использования. Первая схема - устройство для принудительного разворота оси передней колесной пары, продольные связи которой с рамой тележки имеют в своем составе управляющие каретки. Вторая схема - устройство принудительного разворота оси передней колесной пары с управляемым положением одного концевого шарнира каждой упругой продольной связи этой колесной пары с рамой тележки. Третья схема - устройство для принудительного разворота тележки относительно кузова секции локомотива.
Лучшей является первая схема, она имеет следующие показатели эффек-
тивности управления: наибольшее значение величины управляющего момента 14 кН м, наибольшее значение силы давления гребня колеса на наружный рельс 5 кН, наибольший угол набегания колес на рельсовые нити 4 мрад.
Для каждой из трех схем разработаны варианты конструктивного выполнения разворачивающего устройства.
Основные положения, выносимые на защиту.
Обобщенная математическая модель динамического вписывания тележек многосекционных электровозов в переходные и круговые кривые малого радиуса, включающая методику определения сил бокового давления на рельс гребней локомотивных колес.
Методика проверки на устойчивость невозмущенного движения тележек многосекционных электровозов в переходных и круговых кривых малого радиуса, базирующаяся на известном методе.
Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение вывода о том, что каждая типовая электровозная тележка при движении по кривой малого радиуса находится в перекосном положении, прижимаясь к наружному рельсу гребнем передней колесной пары, при этом сила бокового давления гребня на рельс пропорциональна среднему углу набегания колес тележки на рельс.
Система управления вписыванием электровозных тележек в кривые малого радиуса, обеспечивающая снижение сопротивления движению электровоза и уменьшение бокового износа гребней колес и рельсов.
Соответствующий системе алгоритм определения управляющего воздействия на тележки электровозов в переходных и круговых кривых малого радиуса.
Конструктивные схемы разворачивающих устройств, обеспечивающих реализацию заданного управляющего воздействия на тележки электровозов.
Обоснование вывода о том, что благодаря управляемому вписыванию электровозных тележек в кривые малого радиуса можно в 20 раз уменьшить значения сил бокового давления на рельс гребней набегающих колес и обеспечить за счет этого значительное снижение сопротивления движению электровозов и уменьшение интенсивности износа гребней колес и рельсов в названных кривых.
Апробация работы. Основные результаты опубликованы в открытой печати и докладывались на научно-технических конференциях: научно-практическая конференция «Проблемы транспорта Дальнего востока», Владивосток, ДВГМА, 1995 г.; конференция ученых транспортных вузов, главных инженеров дорог, отделений и линейных предприятий Дальневосточного региона. Хабаровск, ДВГАПС, 1995 г.; VI международная научно-техническая конференция (юбилейная) посвященная 100-летию МИИТа. «Проблемы развития локомотивострое-ния», Москва, МГУПС, 1996 г.; научно-техническая конференция «Комплексные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог в условиях Крайнего Севера», Хабаровск, ДВГУПС, 1997 г.; научно-техническая конференция «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего Востока», Хабаровск, ДВГУПС, 1999 г.; международная конференция «Развитие транспортного машиностроения в России «Желдорма-шиностроение-2004», Щербинка, 2004 г.; 6 международная научно-практическая конференция «Проблемы транспорта Дальнего Востока», Владивосток, ДВО Российской Академии транспорта, 2005 г.; Всероссийская научно-практическая
конференция «Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности», Хабаровск, ДВГУПС, 2006 г.; международная научно-практическая конференция ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, Хабаровск, ДВГУПС, 2007 г.; первый Международный симпозиум по инновациям и жизнеспособности современных железных дорог «First International Symposium on Innovation & Sustainabiiity of Modern Railway (ISMR'2008)», Наньчан, КНР, 2008 г., VI Международная научно-техническая конференция «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» Санкт-Петербург, ПГУПС, 2009 г., а также на четырех межкафедральных семинарах: Омск, ОмГУПС, 1997 г., Хабаровск, ТОГУ, 2005, 2007 гг. и Москва, МГУПС(МИИТ), 2007 г.
Публикации и вклад автора. По материалам диссертации опубликовано 40 научных работ, из них 8 статей в журналах, рекомендованных экспертным советом ВАК РФ по транспорту, получено 5 патентов РФ на изобретения и 1 патент РФ на полезную модель.
Автору принадлежит формулировка цели и постановка задач исследований, разработка математических моделей и алгоритмов решения задач, выполнение аналитических расчетов и значительной части экспериментов, создание новых устройств для управления положением локомотивной тележки в рельсовой колее, систематизация и анализ результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения - общей характеристики работы, пяти разделов, заключения, четырех приложений и библиографического списка (280 наименований).
Объем работы составляет 318 страниц, включая 66 рисунков, 16 таблиц, 69 страниц приложений и 38 страниц библиографического списка.
