Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор существующих методов оценки геометрческих параметров рельсовой колеи и путеизмерительных средств . 10
1.1 Существующие методы оценки геометрических параметров рельсовой колеи 10
1.2 Существующие путеизмерительные средства, применяемые для оценки состояния геометрии рельсовой колеи 26
1.3 Постановка цели и задач исследования 32
2. Исследование видеосъемкой перемещений колесной пары поперек рельсовой колеи 35
2.1 Влияние геометрических параметров железнодорожного пути на перемещения колесной пары поперек рельсовой колеи 35
2.2 Геометрические параметры колесной пары и связанные с ними геометрические размеры рельсовой колеи 44
2.3 Определение поперечных перемещений колесной пары по рельсовой колее 46
Выводы к разделу 2 61
3. Численные исследования влияния геометрии рельсовой колеи на условия качения колеса по рельсу 62
3.1 Выбор модели вагон-путь и показателей динамики для оценки развития неблагоприятной динамики при движения грузового вагона на прямой 62
3.2 Методика планирования эксперимента по оценке влияния параметров системы колесо—путь на количество и длительность касаний гребнем колеса головки рельса 66
3.3 Коррелиция количества Л касаний и Тесаний длительности касаний с показателями динамики подвижного состава 80
Выводы к разделу 3 86
4. Исследование движения вагона по пути с реальными неисправностями рельсовой колеи
4.1 Определение корреляции предлагаемых параметров с количеством баллов на участке Изумруд - Асбест, Свердловской железной дороги 87
4.2 Определению угла набегания колеса на головку рельса на участке Смычка -Гороблагодатская, Свердловской железной дороги 95
4.3 Определение границ величины количества касаний, соответствующее качеству геометрических неровностей рельсовой колеи 108
4.4 Организация работ по первоочередному устранению неисправностей рельсовой колеи с учетом предлагаемых параметров и алгоритма 110
4.5 Связь касания гребнем колеса головки рельса с износом рельсовых нитей 115
Выводы к разделу 4 117
Заключение 118
Список литературы
- Существующие путеизмерительные средства, применяемые для оценки состояния геометрии рельсовой колеи
- Геометрические параметры колесной пары и связанные с ними геометрические размеры рельсовой колеи
- Методика планирования эксперимента по оценке влияния параметров системы колесо—путь на количество и длительность касаний гребнем колеса головки рельса
- Определение границ величины количества касаний, соответствующее качеству геометрических неровностей рельсовой колеи
Введение к работе
Актуальность темы. Обеспечение безопасности железнодорожных перевозок, комфортабельности пассажиров зависят как от состояния ходовой части подвижного состава, так и от состояния железнодорожного пути, которыми определяются условия возникновения колебаний виляния. На величину этих колебаний существенное влияние оказывают такие параметры как масса и скорость движения вагона. Величина этих колебаний при определенных условиях может достичь критических значений с наступлением резонансных явлений.
Не превышение допускаемых динамических показателей экипажа (вертикальные и горизонтальные ускорения рамы тележки и кузова вагона) обеспечивается, в том числе сохранением стабильности рельсовой колеи на определенном уровне.
Стабильность рельсовой колеи – свойство сохранять геометрию рельсовой колеи в пределах норм и допусков на ее содержание в течение заданной наработки тоннажа в соответствующих условиях эксплуатации.
В настоящее время все большее значение имеет применение имитационного моделирования движения вагона с учетом состояния экипажа и пути. Тем не менее, натурные эксперименты желательны и необходимы.
Для предупреждения и профилактики состояний пути, вызывающие колебания виляния подвижного состава, и их развития большое значение имеет совершенствование системы оценки состояния геометрических параметров рельсовой колеи, основанное на применении новых параметров, которые связаны с динамическими показателями движения вагона и положением колесных пар во время движения.
Необходимо выделять участки пути с неустановившимся движением тележки (колесной пары). Если частота собственных колебаний боковой качки вагона будет приближаться к количеству касаний гребнем колеса головки рельса на участке определенной протяженности, то возникает явление резонанса, при котором повышается износ взаимодействующих элементов и нарушается стабильность движения.
Цель работы. Оценка состояния рельсовой колеи с совместным учетом временного и силового факторов с применением видеонаблюдений в прямых участках железнодорожного пути.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Создать способ и конструкцию, позволяющую определять перемещение колесной пары в движении по пути с существующими отступлениями геометрии рельсовой колеи (ГРК) с автоматизацией измерения зазора в колее;
2. Определить параметры взаимодействия экипажа и пути, отражающие реакцию экипажа на состояние ГРК;
3. Разработать алгоритм определения участков железнодорожного пути с неблагоприятным сочетанием временного и силового факторов взаимодействия колесной пары и рельсовой колеи с помощью видеонаблюдения.
4. Определить порядок действий по выявлению наиболее значимых отступлений в содержании ГРК, влияющих на формирование траектории перемещения колесной пары (далее – «ведущие» отступления).
Научная новизна. Разработан алгоритм определения участков железнодорожного пути с неблагоприятной динамикой с совместным учетом временного и силового факторов и предложен метод дополнительной оценки состояния ГРК по интенсивности колебаний виляния подвижного состава, определенных с помощью видеонаблюдения используя параметры: количество Nкасаний и длительность касаний Tкасаний гребнем колеса головки рельса.
Практическая ценность.
1. Создан способ и конструкция, позволяющая определять перемещение колесной пары в движении по пути с отступлениями ГРК с помощью видеонаблюдения и автоматизацией измерения зазора в колее, что позволит в дальнейшем изучать процесс взаимодействия колеса с рельсом на реальных участках железнодорожного пути.
2. Определены зависимости предлагаемых параметров от состояния ГРК и подвижного состава;
3. Определен алгоритм, выявления участков железнодорожного пути с неблагоприятной динамикой при совместном учете временного и силового факторов с использованием видеонаблюдения, а также с применением имитационного моделирования движения вагона. Определен порядок действий выявлению «ведущих» отступлений рельсовой колеи;
4. Определена связь касаний гребнем колеса головки рельса с боковым износом рельсовых нитей в прямых.
Методы исследования. В теоретических исследованиях использованы методы сравнения и классификации, положения теории взаимодействия подвижного состава и пути, теории планирования эксперимента. Выполнены численные эксперименты с использованием программного комплекса «Универсальный механизм» и STATGRAPHICS Plus 3.0 for Windows на ЭВМ. Экспериментально на различных участках железной дороги изучен процесс перемещения колесных пар тележки поперек рельсовой колеи. Для обработки полученных данных использованы методы теории вероятности и математической статистики, а также методы программирования на языке MATLAB, использованы методы обработки видеоизображения.
Используя предлагаемый алгоритм экспериментально определены неблагоприятные участки железной дороги и параметры связанные с некоторыми динамическими показателями вагона: количество Nкасаний и длительность касаний Tкасаний гребнем колеса головки рельса.
Обработка результатов расчетов выполнена в среде Microsoft Office Exel 2007.
Научные положения выносимые на защиту. На защиту выносится:
- алгоритм определения участков железнодорожного пути с неблагоприятной динамикой с совместным учетом временного и силового факторов с помощью видеонаблюдения с выделением «ведущих» отступлений.
Достоверность научных положений. Предлагаемый алгоритм и параметры являются комплексными и дополняют методы оценки геометрии рельсовой колеи отраженные в работах О.П. Ершкова, Б.Н. Зензинова, В.Б. Каменского, З.Л. Крейниса, В.В. Мишина, В.О. Певзнера, Ю.С. Ромена и др.
Влияние различных показателей динамики вагона и геометрических неровностей рельсовой колеи на взаимодействие колеса с рельсом подтверждается многочисленными теоретическими и экспериментальными исследованиями, проводимыми М.А. Фришманом, С.В. Вершинским, А.Я. Коганом, Е.С. Ашпизом, В.В. Виноградовым, А.В. Замуховским и др.
В работе впервые предложен способ совместного учета временного и силового факторов с помощью видеонаблюдению, реализованный в виде алгоритма.
В работе впервые для оценки качественного состояния геометрических параметров рельсовой колеи предложены параметры: количество Nкасаний и длительность касаний Tкасаний гребнем колеса головки рельса.
Достоверность результатов моделирования движения вагона по рельсовой колее подтверждается сходимостью с результатами экспериментальных исследований (отклонение составляет 4-23%), полученных на кафедре «Вагоны» Уральского государственного университета путей сообщения.
Определение предлагаемых параметров может быть реализовано на железных дорогах.
Реализация работы. Усовершенствованный метод оценки геометрии рельсовой колеи с учетом предлагаемых параметров, а также алгоритм выявления участков железнодорожного пути с неблагоприятной динамикой с совместным учетом силового и временного факторов применен на Свердловской железной дороге - филиале ОАО «РЖД».
Апробация работы. Материалы диссертационной работы изложены и одобрены на научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования – транспорту. Молодые ученые транспорту», Екатеринбург (УрГУПС), 2005 г.; на Третьей научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути», Москва (МИИТ), 2006 г.; на научно-технической конференции «Перспективы технического развития путевого комплекса ОАО «РЖД» в условиях его реформирования», Москва 2007 г.; научно–технических советах, проводимых в филиале ОАО «РЖД» – «Свердловская железная дорога» в 2006-2007 гг.; на научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования – транспорту. Молодые ученые транспорту», Екатеринбург (УрГУПС), 2011 г.; на VIII научно-технической конференции с международным участием, Москва (МИИТ), 2012 г; на семинарах кафедры «Путь и железнодорожное строительство» УрГУПС в 2006-2012 гг; на расширенном заседании кафедры «Изыскания и проектирование железных дорог» ФГБОУ ВПО ПГУПС в 2012 г, на расширенном заседании кафедры «Изыскания и проектирование железных дорог» ФГБОУ ВПО МГУПС (МИИТ) в 2013 г, на заседании кафедры «Путь и путевое хозяйство» ФГБОУ ВПО МГУПС (МИИТ) в 2013 г; на XIV научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», МИИТ, 2013.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений и содержит 148 страниц, рисунков в тексте 54, таблиц 13, приложений 7. Список литературы содержит 115 наименований.
Существующие путеизмерительные средства, применяемые для оценки состояния геометрии рельсовой колеи
Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки, отличается трудоемкостью выполнения и используемым математическим аппаратом, а также целью использования данного метода.
Рассмотрим некоторые методы оценки геометрических параметров железнодорожного пути, которые используются сегодня на отечественных и зарубежных железных дорогах.
В работе [61] предложена методика совместного вероятностно-статистического анализа амплитудных и статистических характеристик перекоса и просадок рельсовой колеи. Недостатком данной методики является то, что полученные вероятностные значения для перекосов и просадок уместно применять для оценки участков пути длиной не менее 5 - 10 км. Тогда как большие просадки и перекосы могут находиться на гораздо меньшем промежутке пути 100-300 метров (больное земляное полотно) и будут приведены к среднему значению амплитуды неровности на всем участке и тем самым количество отступлений третьей и четвертой степени на данном участке будет определено неверно. Нам важно знать отступления на каждом метре, а не на участке.
Задача определения условий безопасности движения на основе оценки состояния геометрии железнодорожного пути решается в основном методом амплитудного анализа (согласно ЦП 515, распоряжению ОАО «РЖД» от 20.12.2010 №2650р).
На основании многолетних экспериментальных и теоретических исследований, проводившихся во ВНИИЖТе, получена оценка влияния различного рода неисправностей, их сочетаний и последовательностей на показатели взаимодействия пути и подвижного состава. В результате были определены скорости пропуска поездов при различных отступлениях и пороговые значения этих отступлений.
Метод выявления максимальных отступлений в параметрах содержания рельсовой колеи для решения задачи безопасности движения поездов проверен многолетней практикой и применяется в том или ином виде на всех железных дорогах мира. Однако этот метод обладает и рядом недостатков: - скорость на данном отрезке пути определяется максимальной амплитудой, однако, невозможно численно оценить всевозможные сочетания отступлений, не требующих ограничения скорости, но которые, в сочетании с допустимыми неисправностями в подвижном составе, могут привести к нежелательным последствиям, следовательно, необходим показатель, имеющий более универсальный характер; - для определения потребности в проведении выправочных работ или выработки решений о качестве работы производственных подразделений путевого хозяйства требуется оценка геометрии отрезка пути (пикета, километра, перегона); - в методе амплитудного анализа оценка состояния геометрии отрезка, как правило, определяется по количеству отступлений, превышающих установленные пороговые значения [36]. Также важно и сочетание величин отступлений, а не только их максимальные значения. На отечественных железных дорогах многие десятилетия пользуются методом оценки геометрии железнодорожного пути по условным баллам. Достоинством данного метода является его относительная простота. А недостатком то, что одно и то же количество баллов может быть набрано неровностями различной амплитуды. В таком случае показатели взаимодействия подвижного состава и пути будут различны при одной и той же балловой оценке участка пути. А ведь именно эти показатели в первую очередь определяют безопасность движения поездов. Существующая система оценки рассматривает километр, хотя вкатывание гребня колеса на головку рельса может произойти на отрезке в несколько метров пути.
В работе [68], отмечается, что показатель бальности не в полной мере является эквивалентом уровня обеспеченности безопасности и плавности движения поездов.
Анализ работ [48, 36] показывает, что в системе управления путевым хозяйством балловая оценка состояния пути имеет свои недостатки и должна быть заменена. Во-первых, оценкой геометрии колеи по количеству отступлений соответствующей степени, определяемых по их фактическим параметрам и динамике изменения этого количества отступлений в зависимости от пропущенного тоннажа, для километра, рабочего отделения, околотка, участка, дистанции пути, дороги. Во-вторых, статистическими показателями геометрии колеи на скользящих отрезках или производной от этого показателя - скоростью, соответствующей состоянию пути (СССП). Но и показатель СССП имеет свои недостатки.
На рисунке 1.2 показан фрагмент ведомости с результатами покилометровой оценки пути по состоянию рельсовой колеи в пределах каждого из трех рабочих отделений первого околотка (ПД-1) [14]. Из данной ведомости видно, что качественная оценка удовлетворительно (обозначена буквой У) присутствует на участках ПДБ-1 (км 2) и ПДБ-2 (км 9). При этом участок ПДБ-1 имеет десять отступлений II степени и одно отступление III степени, тогда как участок ПДБ-2 восемь и два отступления II и III степеней соответственно
Геометрические параметры колесной пары и связанные с ними геометрические размеры рельсовой колеи
Нарушение параллельности рельсовых нитей в плане имеет место в поперечной плоскости железнодорожного пути и обычно возникает из-за начальной искривленности рельса и особенностей конструкции верхнего строения пути.
Недостаточная тщательность проведения операций по текущему содержанию и ремонту пути, боковые смещения железнодорожного пути, накопленные в результате воздействия подвижного состава, также могут вызывать нарушение параллельности рельсовых нитей.
Отклонение ширины колеи имеет место в поперечной плоскости железнодорожного пути и вызывается главным образом состоянием верхнего строения пути, недостаточной тщательностью текущего содержания и ремонта пути, а также относительными боковыми перемещениями рельсов под действием нагрузок подвижного состава. Отклонения ширины колеи всегда сопровождаются нарушением параллельности рельсовых нитей.
Искривление (перекос) определяется как быстрота изменения возвышения одного рельса над другим на заданной длине железнодорожного пути. Это отклонение возникает из-за температурных перепадов, действующих на путь, из-за различных просадок вдоль шпал, а также просадок вдоль пути под действием нагрузок. Нередко из-за искривления в сочетании с неровностями рельсового профиля происходит подъем колеса над головкой рельса [112].
Из сказанного выше можно сделать вывод, что на взаимодействие колесной пары и рельсовой колеи влияют их геометрические размеры. В следующем разделе подробнее рассмотрены взаимосвязь геометрических размеров колесной пары и рельсовой колеи. 2.2 Геометрические параметры колесной пары и связанные с ними геометрические размеры рельсовой колеи
Рельсовой колеей называются две геометрические линии, проходящие вдоль пути по внутренним граням головок рельсов на уровне их контакта с гребнями колес [21]. Между гребнями колес и внутренними гранями головок имеются зазоры А] и А2 (рисунок 2.6), он же называется «зазором в колее». Очевидно, что сумма этих зазоров А зависит от размеров рельсовой колеи и колесных пар.
Как это видно из рисунка 2.6, максимальные и минимальные значения зазора А определяются из соотношений: A =2s + Ау . ±Aq; \ (2.1) max max max mm I A . = 2s . + Ay . t ±Aq, J mm mm J mm max J где 2smax и 2smin - соответственно наибольшее и наименьшее значение ширины колеи; Aymax, Aymin - упругие горизонтальные отжатия рельсов (по данным опыта наибольшие значения Ау для современных рельсов достигают 4 мм); Aq - возможное изменение в ширине колесной пары за счет упругого изгиба оси (обычно принимают равным ±2 мм); t и tmax - соответственно наименьшее и наибольшее значение ширины колесной пары (расстояние между рабочими гранями гребней колес): t . = q . +2h ; (2.2) mm J- mm mm t =q +2h , max л max max Если учесть возможные значения Ay, t и Aq, то при их определенных сочетаниях зазор Атах может достигать 47 мм для локомотивных и 55 мм для вагонных колесных пар, Amjn может достигать 7 мм для локомотивных и 5 мм для вагонных колесных пар. От значения А зависят условия взаимодействия пути и подвижного состава. Очевидна недопустимость нулевого значения зазора А, так как это приведет к заклиниванию колесных пар между рельсами, чрезмерному сопротивлению движению подвижного состава, большому износу колес и рельсов, а также возможному накатыванию гребня колеса на головку рельса. Допускать очень большие зазоры также нецелесообразно, так как это может приводит к большим амплитудам колебаний виляния подвижного состава, увеличивается возможный угол набегания колесной пары на головку рельса и, кроме того, может произойти проваливание колесной пары внутрь колеи.
Проваливание колесной пары внутрь колеи произойдет при ее ширине, равной: 2snp=k-f-r (2.3) где k = hmin+qmin + b = 1593 мм; f - ширина фаски (6 мм); г - радиус выкружки у верхней грани головки рельса (г = 13 мм - минимальное значение); b -ширина колеса. При допускаемых минимальных q, h, t, г и f 2snp=1572 мм. Однако опасность схода возникает и тогда, когда колесо опирается на рельс частью, имеющей коничность 1/7. При этом 2Snp=1550 мм. С учетом же изгиба осей и упругого отжатая рельсов, очевидно, нельзя допускать ширину колеи больше чем 1548 мм. Это и предусматривается инструкциями по содержанию железнодорожного пути.
Поэтому контроль и определение зазора между гребнем колеса и головкой рельса является основой при нормировании ширины колеи и тем более при изучении перемещения колесной пары внутри колеи, а значит и процесса взаимодействия колеса и рельса с точки зрения накатывания гребня колеса на головку рельса. Кроме того, контроль зазора в колее позволит определить, по какому кругу катания перемещается колесная пара и спрогнозировать ее дальнейшее движение или разворот. Сегодня при оценке геометрических параметров железнодорожного пути зазор между гребнем колеса и головкой рельса не определяется.
Ниже предложен способ для определения этого зазора между гребнем колеса и головкой рельса. Как видно из предыдущего перемещение колеса по рельсу и величина этого перемещения зависит от многих параметров, которые относятся как к подвижному составу, так и к железнодорожному пути.
Можно говорить о перемещении колеса, которое подчиняется синусоидальному закону, так как часто неровности пути представляются именно так. Определение перемещений возможно с использованием современных программных продуктов по моделированию движения подвижного состава по рельсовой колее.
Все параметры, характеризующие фактическое положение пути в плане и профиле, определяют с помощью съемных путеизмерительных тележек или вагонов, движущихся со значительными скоростями. В связи с тем, что геометрические характеристики железнодорожного пути не всегда определяют динамику взаимодействия его с подвижным составом (см. 1 главу), они должны дополняться измерением динамических характеристик, например сил взаимодействия колес с рельсами, или же должны дополняться параметрами, которые связаны с силами взаимодействия колеса с рельсом и динамическими показателями.
Г. И. Матусовским [59] для измерения перемещений гребня колеса относительно головки рельса использовался «Прибор для измерения перемещений» (авторское свидетельство 267149). Данный прибор представляет собой жестко закрепленную конструкцию на тележке вагона и связанной с рельсом (контактный способ измерения перемещения гребня колеса относительно головки рельса). Таким образом, определяются угловые и поперечные перемещения. Данное устройство применяется на участках железнодорожного пути, где нет стрелочных переводов. Этому устройству присущи все недостатки трособлочных систем на путеизмерительных вагонах.
В настоящее время широкое применение получило видеонаблюдение за различными явлениями. Не является исключением и видеонаблюдение за перемещением колесной пары внутри рельсовой колеи.
Для определения перемещений колесной пары внутри рельсовой колеи автором предлагается определять зазор, описанный в пункте 2.2. Для выполнения диссертационного исследования разработана специальная конструкция [114], которая крепится к поперечной балке тележки вагона-путеизмерителя ЦНИИ- 4МД. Конструкция показана на рисунках 2.8-2.10.
Методика планирования эксперимента по оценке влияния параметров системы колесо—путь на количество и длительность касаний гребнем колеса головки рельса
Таким образом, пользуясь графиками взаимодействия можно определить, при каком сочетании факторов и каком их значении будет максимальным рассматриваемый Параметр (Алании, касаний) С учетом выполненного анализа запишем зависимости для рассматриваемых параметров (Алании, Ткасатіі), исключив из нее статистически незначимые факторы (уровень надежности принят 95%). Новый вид математических моделей показан зависимостями 3.6-3.7. касаний = 15.4877 - 12.1158 V + 2.58734 М - 5.15953 gorizont + 11.9592 vertikal - 2.02922 V M + 4.24266 V gorizont 10.8173 V vertikal + 3.33453 M vertikal - 2.30672 gorizont vertikal Ссаний = 84.3438 - 13.1563 V - 25.4062 M - 33.375 gorizont + + 28.875 vertikal + 8.90625 V M - 11.375 V sos_vagona + (3J) + 8.0625 V gorizont -20.3125 V vertikal + 8.625 M gorizont - K } - 10.125 M vertikal + 8.40625 eorizont vertikal По этим зависимостям устанавливалось, в какой мере каждый из факторов влияет на параметры оптимизации. Количественная мера этого влияния -величина коэффициента регрессии. Чем больше коэффициент, тем сильнее его влияние, о характере влияния говорит знак коэффициента.
Далее определим связь количества и длительности касаний гребнем колеса головки рельса с динамическими показателями движения вагона.
Для определения взаимосвязи было выполнено моделирование движения вагона с изменением наиболее значимых факторов. За показатель взаимосвязи использовался коэффициент корреляции между количеством и длительностью касаний гребнем колеса головки рельса и количеством превышений нормативных значений показателей динамики подвижного состава.
В исследовании были выбраны следующие динамические показатели движения вагона, согласно перечня показателей взаимодействия пути и подвижного состава для установления допускаемых скоростей движения. Привышение данных показателей приводит к значительному ухудшению плавности хода подвижного состава:
Значения количества и длительности касаний гребнем колеса головки рельса и количества превышения допустимых значений динамическими показателями движения вагона приведены в таблице 3.5.
Значения полученных коэффициентов корреляции приведены в таблице 3.6. Таблица 3.5 -Значение параметров ГкаСаний и касаний и показателей динамики вагона Конструкцияи состояниевагона,величинанеровностей Величина скорости и массы Значение параметров для поиска зависимости, количество превышений нормативных значений параметр Ыкасаний корреллирует с количеством превышений горизонтальных и вертикальных ускорений тележки вагона (значения коэффициента корреляции 0,64 и 0,55 соответственно при массе вагона 22 тонны, 0,95 и 0,75 при массе вагона 85 тонн) с горизонтальных ускорений кузова вагона 0,99 при массе вагона 85 тонн; параметр Ткасаний корреллирует с количеством превышений горизонтальных ускорений кузова и тележки вагона (значения коэффициента корреляции 0,64 и 0,77 соответственно при массе вагона 85 тонны).
Таким образом, исследуемые параметры - Л саний» касаний однозначно имеют связь с динамическими показателями движения вагона, поэтому их использование при оценке качества состояния геометрических параметров рельсовой колеи и определении первоочередности исправления выявленных неисправностей является важной составляющей в системе мониторинга геометрии рельсовой колеи. Выводы к разделу 3
1. Методом планирования эксперимента и численными исследованиям взаимодействия колеса с рельсом получены зависимости параметров (количества касаний и длительности Гкасаний касаний гребнем колеса головки рельса) Y от изменения факторов х\.. .х6- скорости движения и массы вагона, типа и состояния вагона, горизонтальных и вертикальных неровностей рельсовой колеи. Данные зависимости позволяют оценить количественную меру влияния каждого фактора и их сочетаний. Анализ полученных зависимостей показывает: - на длительность касаний гребнем колеса головки рельса существенное влияние оказывают скорость, масса, вертикальные и горизонтальные неровности рельсовой колеи, а также взаимодействие скорости и горизонтальных и вертикальных неровностей рельсовой колеи, массы и вертикальных неровностей. Диапазон варьирования длительности касаний при рассматриваемых границах параметров составляет от 0 до 75.1 с. - на количество касаний гребнем колеса головки рельса существенное влияние оказывают вертикальные и горизонтальные неровности рельсовой колеи, скорость, масса, а также взаимодействие скорости и вертикальных неровностей рельсовой колеи, скорости и состояния вагона, массы и вертикальных неровностей рельсовой колеи. Диапазон варьирования количества касаний при рассматриваемых границах параметров составляет от 0 до 254.
Определение границ величины количества касаний, соответствующее качеству геометрических неровностей рельсовой колеи
Для анализа взаимодействия колеса с рельсом и анализа угла набегания рассмотрим прямой и кривой участки пути. Участок представлен на рисунке 4.8.
На данном участке максимальная ширина колеи достигает 1539 мм, минимальное значение - 1514 мм.
Из графика на рисунке 4.8 видно, что на прямом участке угол набегания больше чем на кривой. Однако, в кривом участке необходимо учитывать дополнительный угол, связанный с кривизной (радиусом кривой) и расстоянием между точками касания гребней колес расположенных с одной стороны тележки. Данный угол определяется по следующей формуле:
Вкатывание колеса на головку рельса не является мгновенным процессом. Оно происходит в течение некоторого времени tcx, за которое колесо пройдет вполне определенный путь 1сх. Если в это время коэффициент запаса устойчивости Куст за счет колебаний кузова или неподрессорных масс станет больше единицы, тогда колесо соскользнет вниз, процесс вкатывания его на головку рельса прервется.
В начале вкатывания колеса мгновенный центр вращения скачком перемещается в точку К на расстояние є (рис. 4.9, а, б). Точка контакта поверхности катания колеса с головкой рельса получит перемещение с где h - высота поднятия колеса над головкой рельса, h=0.013 м; г - радиус колеса, г=0.435 м; rk - радиус колеса по кругу катания, rk=0.525 м; v - скорость на данном участке; Р - угол между горизонталью и касательной к рабочей грани головки рельса, Р=60; tga - угол набегания колеса на рельс.
По вышеприведенным формулам для каждого километра найдем среднюю скорость. По формуле 4.5 для каждой скорости и угла набегания вычислим время вкатывания колеса на головку рельса. Расчеты представлены в таблице 4.3.
По данным таблицы 4.3 строятся графики зависимости времени вкатывания колеса на головку рельса от угла набегания для каждой скорости. График для скорости 30 км/ час представлен на рисунке 4.10, для остальных скоростей в приложении Е.
Для определения неблагоприятных участков пути необходимо вычислить время, в течение которого колесо проходит в состоянии с прижатым к головке рельса гребнем. Данное время определено по видеоряду при скорости видеозаписи 24 кадра в секунду (т.е. время разбиения видеоряда на кадры 1/24 секунды). Результаты представлены на рисунке 4.11.
По полученным данным выделены три участка, где время прижатия гребня колеса к головке рельса превышает неблагоприятное при определенном угле набегания. То есть на расстоянии, при котором колесо проходит в прижатом состоянии к головке рельса, возможно его вползание на головку рельса.
Время вползания колеса будет зависеть от длительности касания. При длительном касания колеса о рельс и значительном угле набегания боковой износ увеличивается.
График определения опасной и безопасной областей Цифрами показаны реальные участки железнодорожного пути, которые представляют опасность при превышении «нормативной» длительности касания. На рисунке 4.12 выделен неблагоприятный участок. На этом участке наибольшие углы набегания, а время касания колеса, полученное по видеоряду, больше неблагоприятного.
Физический смысл данного коэффициента заключается в соотношении сил способствующих удержанию железнодорожного колеса на головке рельса к силам, которые вызывают прижатие и дальнейший подъем гребня колеса на головку рельса. Данный коэффициент нормируется в зависимости от типа подвижного состава и должен быть больше 1.
Но этот коэффициент носит чисто теоретический характер и учитывает только силовой фактор. Таким образом, необходимо определять и время воздействия силы и величину этой силы. На основании вышесказанного можно составить алгоритм для определения участков с неблагоприятной динамикой подвижного состава (рис. 4.13).
Порядок действий по алгоритму представленному на рисунке 4.13 следующий: 1. Фиксируется видеокамерой зазор на колесных парах в тележке; 2. Определяется угол набегания колеса на головку рельса по формуле 4.3; 3. Рассчитывается время подъема колеса на головку рельса по формуле 4.5; 4. Сравнивается полученное время с продолжительностью касания гребнем колеса головки рельса. Если tcx ГкасанИй то железнодорожное колесо физически не успеет подняться на головку рельса при данном положении тележки внутри колеи и скорости движения. Данный участок является благоприятным. Если условие tcx Гкасаний не выполняется, то проверяется силовой фактор.
Для этого определяется ускорение приближения гребня колеса к головке рельса. \v -v\ где Vj - скорость, с которой колесо приближается к головке рельса между первой и второй точками, м/с; V2 - скорость, с которой колесо приближается к головке рельса между второй и третьей точками до полного соприкосновения гребня колеса с головкой рельса, м/с; At - промежуток времени при определении скорости и зазора, приняли 1/24 с, так как скорость видеозаписи равна 24 кадра/с.
