ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАЗВИТИЯ ПОЛЗУНА

Лукин И.А. 1, Пеньков А.Е. 1

1Курганский институт железнодорожного транспорта филиал Уральского государственного университета путей сообщения. г.Курган

Работа в формате PDF

0.9 MB

Сертификат участника

Комментарии

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Данная проблема является актуальной, так как от неё зависит безопасность, движение и сохранность колёсных пар, а также рельсов.

Работа посвящена повышению безопасности движения методом прогнозирования развития плоского дефекта (ползуна) на поверхности катания колеса с течением времени за счёт определения максимально допустимых размеров ползуна. Приведены расчёты позволяющие прогнозировать развитие ползуна с течением времени при различных скоростях мотоматрисы.

Для России железнодорожный транспорт имеет одно из ключевых значений, так как является основной транспортной артерией, соединяющей все её регионы, и эффективная работа дороги во многом определяет состояние экономики страны. Сама же эффективность работы железнодорожного транспорта во многом связана с увеличением скоростей движения и объемов грузоперевозок, а также с повышением надёжности нового и обеспечением долговечности существующего подвижного состава.

В процессе эксплуатации подвижного состава возникают различные дефекты колесных пар, которые должны быть своевременно выявлены и устранены. Заклинивание колес — прекращение их вращения во время движения поезда. Основными причинами, вызывающими заклинивание колесных пар вагонов, являются: неисправности воздухораспределителей, тройных и выпускных клапанов, запасных резервуаров, несоответствие размеров плеч рычагов рычажных передач, неправильная регулировка и заедание рычажной передачи; нарушение правил обслуживания и ремонта тормозного оборудования — неправильное применение режимов торможения, отправление поезда с заторможенным автоматическим или ручным тормозом, увеличенный против нормы размер выхода штоков тормозных цилиндров, чрезмерные утечки воздуха из воздушной магистрали; неправильное управление тормозами — перезарядка тормозов и трогание поезда с места при не полностью отпущенных тормозах. Колеса при этом скользят по рельсам — идут юзом, на поверхности катания образуются плоские места — ползуны и прокаты. Основная опасность ползуна заключается в том, что из-за него на колесе создаётся несимметричность поверхности катания и при прохождении ползуна над рельсом колёсная пара словно молот бьёт с высоты ползуна по рельсовому пути, разрушая его. А также, сторона колёсной пары с ползуном начинает "отставать" от исправной стороны, что может привести к разрушению буксовых узлов и сходу состава.

1 Понятие ползуна

Ползун (лыска) — повреждение поверхности катания колёс рельсовых транспортных средств (трамваев, подвижного состава железных дорог и метрополитена) относительно оси вращения, выражающееся в появлении на круговой поверхности катания плоского места.

Нормы скорости при наличии ползуна для пассажирского ж/д транспорта в России согласно ПТЭ:

до 1 мм — скорость установленная
1—2 мм — скорость до 100 км/ч (грузовые поезда — до 70 км/ч), ехать до ближайшего пункта технического обслуживания (ПТО)
2—6 мм — скорость до 15 км/ч, ехать до ближайшей станции
6—12 мм — скорость до 10 км/ч, ехать до ближайшей станции
больше 12 мм — скорость до 10 км/ч, ехать до ближайшей станции с заклиненной или вывешенной (для локомотивов) колёсной парой

Ползуны крайне опасны. Они вызывают сильные удары колес о рельсы при движении вагонов, что может вызвать излом рельсов. Так, колесо с ползуном глубиной 3 мм при движении груженого грузового вагона со скоростью 70 км/ч вызывает удар по рельсам, равнозначный удару от падения груза массой 100 кг с высоты 1 м.

Существует скорость (около ), при которой колесо в месте контакта передней кромки ползуна с рельсом отрывается и на доли секунды «зависает» над рельсом. В следующее мгновение колесо ударяется задней кромкой ползуна о рельс. Это значит, что при скоростях выше ползун действительно закатывается, и колесо в этом месте принимает овальную форму. При скоростях ниже критической для глубины ползуна есть граница (0,5 – 0,8 мм), зависящая от нагрузки, ниже которой ползун тоже будет закатываться, но не вследствие удара, а из-за деформации кромок ползуна под действием нагрузки на ось. Выше этой границы кромки ползуна тоже будут скругляться, но часть ползуна все-таки будет оставаться, и колесо этой частью ползуна будет ударяться о рельс. Под действием удара поверхность ползуна будет пластически деформироваться, развиваться (его площадь и глубина становятся больше).

Таким образом, при движении груженого вагона со скоростью ниже нельзя говорить только о закатывании ползуна, так как на самом деле происходит одновременно и закатывание, и развитие. И если последний процесс более интенсивный, то необходимо принять факт увеличения размеров ползуна. Развитие ползуна приводит к увеличению ударной силы, циклическое воздействие которой приведет к возникновению трещины, к потере устойчивости движения и, наконец, к возникновению аварийной ситуации, если своевременно не снять колесную пару с эксплуатации.

Прокат колеса является естественным следствием механического взаимодействия колеса с рельсами и тормозными колодками, в результате чего изнашивается профиль колеса. Восстановить профиль катания можно обточкой, но при этом уменьшается толщина обода колеса. В процессе эксплуатации колесной пары из-за пластической деформации поверхностных слоев металла обода образуются наплывы на скосе наружной грани колеса. При неравномерном прокате происходит биение колесной пары и вследствие этого возникают увеличенные и более частые колебания рессорных комплектов, слышны удары деталей рычажной передачи о детали тележки и рамы вагона, что влечет за собой вибрацию рамы тележки.

Широкое распространение получила автоматическая система комплексного контроля состояния ходовых частей подвижного состава КТСМ, которая позволяет выявлять недопустимый нагрев буксового узла. Аппаратуру этой системы размещают на перегонах и промежуточных станциях гарантийных участков для контроля состояния колесных пар проходящих поездов или перед станциями, на которых расположены ПТО.

Эта аппаратура может использоваться для выявления ползунов или неравномерного проката. Зарегистрированные системой КТСМ колесные пары с греющимися буксами, ползунами, наварами, неравномерным прокатом после остановки поезда необходимо осмотреть, измерить поверхности катания шаблонами и принять решение о ремонте вагона и возможности дальнейшего его следования в поезде или об отцепке.

2 Удар колеса по рельсу.

Рис. 1. Ударная нагрузка колеса на рельс

При движении колеса с ползуном кроме статической и динамической нагрузки на рельс, возникает ударная нагрузка колеса на рельс (рис. 1). Ударная нагрузка прикладывается мгновенно, всей своей величиной. Если сила удара колеса по рельсу не ограничена, то она приводит к разрушению неподрессоренных элементов подвижного состава и верхнего строения пути.

При ударе колеса по рельсу возникающие ускорения значительно больше, чем ускорения кузова при колебаниях. Поэтому влиянием колебаний кузова на силы ударного взаимодействия колеса и рельса можно пренебречь.

Для определения величины силы давления колеса на рельс, рассмотрим сечение по месту контакта колеса с головкой рельса. Так как колесо и рельс являются упругими телами, то эту упругость можно представить в виде фиктивной пружины, расположенной между колесом и рельсом и имеющей жесткость Ж1. Используя геометрическую схему можно построить схему сил действующих при ударе.

Взаимодействие рассмотрим в вертикальной плоскости, то есть относительно оси Z. При ударном взаимодействии возникают перемещения неподрессоренных частей Z_н и перемещения рельса Z_п. Действующие в схеме силы инерции определяются:

(1)

На основании приведенной схемы можно составить математическую модель, которая описывает процесс колебаний упругого колеса на упругом рельсе.

(2)

В приведенной системе первое уравнение описывает колебания колеса, второе - колебания рельса, третье - взаимодействие между ними, то есть изменение силы Р_к.

Общее решение системы относительно силы Р_к имеет вид:

Р_к = А₁sinωt + A₂cosωt (2.1)

А₁, A₂- постоянные интегрирования ω

ω - частота совместных колебаний колеса и рельса:

(3)

Предположим, что колесо имеет ползун но поверхности катания колеса. За начальные условия примем следующее: t = 0. Z_н = Z_р = 0, рельс неподвижен. В этом случае скорость удара колеса по рельсу определяется:

(4)

V_уд - поступательная скорость удара

l_п - длина ползуна

R_к - радиус колеса по кругу катания

В этом случае максимальное значение силы удара колеса определяется:

(5)

3 Оценка высоты смятия поверхности катания колеса после удара

Развитие ползуна с течением времени оценивается высотой смятия е поверхности катания колеса после удара. Следует ожидать, что в связи с упрочнением материала колеса от многоцикловой ударной нагрузки и в связи с увеличением площади контакта приращение величины e от удара к удару будет уменьшаться, а суммарная высота смятия должна увеличиваться. Согласно обобщённому принципу Мазинга, для многократного циклического нагружения упруго-пластических материалов связь между напряжением σ и деформацией ε, выражается в графике (рис. 2).

Рис. 2. Кривые циклического деформирования

(6)

где =σ/σT; σT - предел текучести; ε- отношение суммарного смятия к значению e при σT, то есть e для расчётной кривой и отношение суммарной остаточной пластической деформации к её значению при σT- для экспериментальной кривой, а σ(k)T для стали принята равной 1,9 (Расчёты проводились для стального колеса с пределом текучести σT= 1000МПа и пределом прочности σв= 1150МПа).

Положения колеса в моменты отрыва и удара (рис. 3) при скоростях поезда v, больших критической, передняя кромка A ползуна теряет контакт с рельсом, и сила реакции Р становится равной нулю. Учитывая, что сила упругости со стороны подвески, а также сила тяжести колеса прижимают колесо к рельсу, а инерционные факторы, способствующие движению колеса вверх, весьма малы, колесо на некоторое малое время оказывается в неконтакта с рельсом. Оно продолжает вращаться, а его центр масс движется по некоторой кривой CC1 в направлении движения поезда, одновременно опускаясь вниз, до того момента, пока задняя кромка B ползуна не вступит в контакт с рельсом. Начиная от момента отрыва точки A, центр колеса движется вниз к рельсу под действием силы тяжести-Gk и силы упругости.

Рис. 3. Положение колеса в моменты отрыва и удара

Для оценки высоты смятия будем считать, что потерянная при ударе кинетическая энергия расходуется на работу пластической деформации и на работу упругой деформации:

(7)

Из классической механики известно, что кинетическая энергия, потерянная колесом при упругом ударе о рельс, равна произведению коэффициента(1−kv)/(1 +kv) (kv-коэффициент восстановления при ударе) на кинетическую энергию T∗, соответствующую потерянной скорости:

(8)

где m- масса;vcIx, vcI Ix-проекции скорости vc до и после ударасоответственно на ось x; ωI, ωII-угловая скорость до и после удара соответственно.

К определению скоростей до и после удара vcIx =vck= ˙xc, vcIIx=v∗x, ωI =ω=vr, ωI I =ω∗

Для определения ω∗ воспользуемся теоремой об изменении кинетического момента системы при ударе:

(9)

где-KB1,KB2-кинетические моменты системы до и после удара соответственно;

Так как до удара центр колеса движется поступательно со скоростью - v , имеет вертикальную составляющую скорости - vck, и колесо вращается с угловой скоростью ω, то

KB1=mkvrcos (α−ψ) +Jcω− mkvckrsin (α−ψ) (10)

После удара колесо вращается вокруг точки B2 с угловой скоростью ω∗, поэтому KB2=JB2ω∗

Подставляя в последнее равенство выражение найденные для Кв1 и Кв2 получим:

(11)

Тогда v∗=ω∗r, vcI Ix=v∗x=ω∗rs in(α−ψ). Теперь выражение для потерянной при ударе кинетической энергии можно записать следующим образом:

(12)

Работу пластической деформации можно определить по формуле:

(13)

где ρ- плотность материала колеса; qp-скорость волны пластической деформации.

(14)

где E-модуль Юнга.

Так как материал колеса несжимаемый, работа упругой деформации обусловлена только изменением формы. С учётом этого, эта работа:

(15)

где σs- предел текучести; n показывает, какая часть от деформируемого объема ∆V подвергается упругому восстановлению;ν - коэффициент Пуассона.

Подставляя формулы после некоторых преобразований, получим:

(16)

Для ν= 0,3, σs = 1000МПа, E= 2,11011Па, mk= 330кг, ρ= 7000кг/м3

В действительности края ¾ползуна¿ пластически деформированы и имеют некоторый радиус кривизны. Поэтому разумно допустить, что отрыв происходит каждый раз в месте передней кромки новой площадки контакта, образовавшейся вследствие удара. Это приведёт к сокращению времени падения, к уменьшению скорости в начале удара и, следовательно, к снижению высоты смятия. При этом характер кривых сохранится в силу периодичности силы упругости подвески (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость изменения высоты смятия с числом ударов для разных скоростей поезда v при c = 2000000Н/м, en= 0:

1 )v= 15м/c, 2 )v= 20м/с, 3)v= 25м/c

Суммарная высота смятия, как и площадь ползуна, сначала быстро растут ( до ), затем этот рост снижается, и исследуемая величина стремится к некоторому постоянному значению, в связи с упрочнением материала колеса. Это позволяет прогнозировать момент прекращения накопления пластической деформации и появления усталостных трещин.

Для учета вклада неравноупругости пути в развитие ползуна необходимо учесть амплитуду и ускорения подпрыгивания колесной пары, которые, согласно результатам Р.Д. Сабирова, не превышают 1,5 мм и соответственно. Учитывая, что амплитуда этих отклонений весьма мала, а также тот факт, что период этих отклонений () на порядок выше, чем продолжительность вращения колеса, имеющего ползун, вокруг передней кромки A (), можно принять, что на развитие ползуна эти отклонения повлияют незначительно.

Что касается влияния ускорения подпрыгивания колесной пары на развитие ползуна, то, как показали расчеты, появляющаяся вследствие этого ускорения сила инерции не приводит к погрешности в определении скорости в начальный момент удара выше, чем 0,034%. Учитывая периодичность силы инерции в соответствии с ускорением подпрыгивания, это влияние на развитие ползуна также незначительно.

4 Влияние скорости движения вагона на величину контактной силы в момент удара

Таблица 1

Величина контактной силы в момент удара

Скорость движения вагона,	Величина контактной силы в момент удара,
	Порожний		Груженый
	Результаты, полученные автором	Результаты Д.Ю. Погорелова и А.В. Сладковского, уменьшенные в раза	Результаты, полученные автором	Результаты Д.Ю. Погорелова и А.В. Сладковского, уменьшенные в раза
Статическая нагрузка,	22,8	22,8	104,5	104,5
1	44,6	48,1	128,5	120,7
2	62,1	60,2	145	131,3
5	264,9	297,8	186,7	136,3
10	244,4	271,3	543,1	620,6
20	334	276,6	489	604,9

Указанное отличие обусловлено тем, что в модели UM начальная скорость при ударе завышена в раза, в силу того, что, в отличие от классической схемы (модель автора), в модели UM ползун имитируется на рельсе в виде сопряжения дуг окружностей радиуса, равного радиусу колеса, что и приводит к завышенному значению скорости в начале удара в раза.

При движении колеса с ползуном по рельсу происходит разгрузка колеса, равная динамической составляющей вертикальной реакции рельса.

С целью повышения безопасности движения (снижения вероятности появления и развития усталостных трещин от циклически повторяющейся ударной нагрузки) предлагаются дополнения к ПТЭ в части движения колеса с ползуном и рассчитывается ожидаемый экономический эффект от их применения.

Проведенные расчеты позволяют установить предельное значение суммарной глубины ползуна, до появления которого можно разрешить движение на предельное для этого ползуна расстояние с указанной скоростью, не снижая уровень безопасности.

Представленные результаты исследований позволяют в целях полного использования ресурса колесной пары без снижения уровня безопасности движения рекомендовать пользователям ПТЭ приведенную ниже контрольную таблицу предельных глубин ползуна в качестве дополнения к инструкции.

Экономическая эффективность от применения предлагаемых дополнений обусловлена возможностью избежать ущерб от транспортных происшествий, в которых может произойти сход вагонов из-за излома колеса вследствие появления и развития усталостных трещин.

Экономическая эффективность от применения предлагаемых дополнений обусловлена возможностью избежать ущерба от транспортных происшествий, в которых может произойти сход вагонов из-за излома колеса вследствие появления и развития усталостных трещин.

5 Ремонт колесных пар

Для колесных пар в зависимости от объема выполняемых работ установлены два вида ремонта — без смены и со сменой элементов. При ремонте без смены элементов в условиях депо производят работы по устранению износа бандажей и шеек осей — обточку и перетяжку бандажей, обточку, накатку и шлифовку шеек и сварочные работы без распрессовки элементов. Ремонт со сменой элементов предусматривает замену осей, колесных центров, бандажей, зубчатых колес, перепрессовку ослабших колесных центров, зубчатых колес и освидетельствование колесных пар с выпрессовкой оси. Такой вид ремонта разрешается производить в колесных цехах ремонтных заводов и специализированных мастерских. Для ремонта колесные пары выкатывают из-под тепловоза. Одиночную выкатку колесных пар с тяговыми электродвигателями в депо производят на специальных канавах, оборудованных скатоопускным подъемником.

Прокат бандажей колесных пар устраняют обточкой на специальных станках с выкаткой и без выкатки из-под тепловоза. Бандажи колесных пар на текущем ремонте ТР-3 обтачивают на колесно-токарных станках, снабженных гидрокопировальным устройством. По мере обточки толщина бандажа уменьшается и наименьшая его толщина при выпуске из текущего ремонта допускается 43 мм и не менее 50 мм для тепловозов, работающих со скоростями свыше 120 км/ч. Наружный профиль бандажа при обточке контролируют шаблоном, а расстояния между внутренними гранями бандажей — штангенциркулем. Шаблон плотно прижимают к внутренней грани бандажа, при этом зазор по поверхности катания допускается до 0,5 мм, а по высоте и толщине гребня — до 1 мм.

В условиях депо прокат бандажей без выкатки колесных пар устраняют при техническом обслуживании ТО-4 на специальных колесно-фрезерных станках КЖ-20М. Станок располагают в специальной канаве со съемными рельсовыми вставками. Для обработки бандажей тепловоз устанавливают на канаву, домкратом тяговый электродвигатель приподнимают несколько вверх, а рельсовые вставки отводят в сторону, и колесная пара оказывается подвешенной на моторно-осевых подшипниках. Вращается колесная пара от тягового электродвигателя, который питается током напряжением 220—380 В. К бандажам подводят суппорты с фрезами и обточку бандажа ведут до необходимых размеров. Время обработки одной колесной пары составляет 30—40 мин.

Изношенную поверхность гребня восстанавливают электронаплавкой специальными двухдуговыми аппаратами А-482 под флюсом или вручную с выкаткой колесных пар из-под тепловоза с последующей обработкой на станке. Разрешается также наплавлять гребни бандажей без выкатки колесных пар из-под тепловоза двухдуговым аппаратом Р-643 с последующей обработкой на станке. Наплавка изношенных гребней позволяет примерно в полтора раза сократить снятие металла с бандажа при его обточке для получения нормального профиля и продлить срок службы бандажа.

6 Способы устранения самоторможения и заклинивания колес

Заклинивание колес — прекращение их вращения во время движения поезда. Колеса при этом скользят по рельсам — идут юзом, на поверхности катания образуются плоские места — ползуны. Ползуны большого размера могут вызвать излом рельсов, поэтому для их ликвидации требуется обточка колесных пар.

Основными причинами, вызывающими заклинивание колесных пар вагонов, являются: неисправности воздухораспределителей, тройных и выпускных клапанов, запасных резервуаров, несоответствие размеров плеч рычагов рычажных передач, неправильная регулировка и заедание рычажной передачи; нарушение правил обслуживания и ремонта тормозного оборудования — неправильное применение режимов торможения, отправление поезда с заторможенным автоматическим или ручным тормозом, увеличенный против нормы размер выхода штоков тормозных цилиндров, чрезмерные утечки воздуха из воздушной магистрали; неправильное управление тормозами — перезарядка тормозов и трогание поезда с места при не полностью отпущенных тормозах.

Особенно часто заклинивание колес происходит на вагонах, оборудованных воздухораспределителями усл. № 320, которые надо особенно внимательно осматривать. Для предупреждения заклинивания колесных пар необходимо повысить качество ремонта тормозных приборов на контрольных пунктах автотормозов. Тщательно осматривать вагоны и внимательно производить опробование тормозов, особенно обращая внимание на отпуск, заменять все воздухораспределители, не отпустившие или имеющие замедленный отпуск; очищать пылеулавливающие сетки и фильтры, обеспечивать плотность в соединениях привалочных фланцев воздухораспределителей.

Нельзя отпускать тормоза вручную с помощью выпускного клапана, так как при последующих торможениях в пути следования неизбежно произойдет заклинивание колесных пар.

Для выявления воздухораспределителей с замедленным отпуском при сокращенном опробовании тормозов ручку крана машиниста при отпуске ставят не в первое, а во второе положение. Нужно также строго следить, чтобы не было утечек воздуха из золотниковой камеры воздухораспределителей, производя своевременное крепление болтов режимного колпака и привалочного фланца, так как эти утечки приводят к замедленному отпуску или неотпуску тормоза. Неотпуск тормоза может иметь место из-за заедания главного поршня воздухораспределителя в верхнем положении, пропуска воздуха через манжеты и через двойной выпускной клапан. Если замена воздухораспределителя не дает положительного результата, то причиной неотпуска тормоза может быть неисправность рабочего резервуара, который следует заменить.

Нельзя допускать перезарядки тормозной магистрали состава от станционной сети или от локомотива, так как в этом случае может произойти самопроизвольное торможение или неотпуск тормоза у части вагонов поезда.

Часто заклинивание возникает при неправильном применении режимов торможения. Поэтому следует правильно устанавливать воздухораспределители на груженый, средний или порожний режимы в соответствии с загрузкой вагона. Если степень загрузки неизвестна, тормоз должен быть установлен на порожний режим.

Все работники железных дорог, связанные с движением поездов, при обнаружении заклинивания колесной пары в движущемся поезде или сильного стука от ползуна обязаны принимать меры к остановке такого поезда. Особенно внимательно должны смотреть за отпуском тормозов работники ПТО.

Провожая каждый отправившийся со станции поезд, осмотрщики-автоматчики или осмотрщики вагонов следят, нет ли в нем неотпустивших тормозов. При обнаружении заклиненной колесной пары поезд должен быть остановлен для устранения неисправности тормоза.

7 Правильное торможение - гарантия безопасности

Многие серии электропоездов постоянного тока оборудованы электродинамическим тормозом (ЭДТ). Его применение существенно повышает безопасность движения, дает возможность экономии электроэнергии, снижает износ тормозных колодок и бандажей колесных пар, а также уменьшает загрязнение окружающей среды металлической пылью. По сравнению с пневматическим тормозом он обладает лучшей управляемостью.

Процесс электродинамического торможения основан на принципе обратимости электрических машин. При торможении тяговые двигатели (ТД) моторных вагонов работают в генераторном режиме, а кинетическая энергия поезда преобразуется в электрическую. В зависимости от способа поглощения энергии различают рекуперативное, реостатное и рекуперативно-реостатное торможение.

При рекуперативном торможении вырабатываемая двигателями энергия отдается обратно в контактную сеть и потребляется подвижным составом, находящимся в режиме тяги, а при реостатном — гасится на пускотормозных резисторах. Как известно, для протекания тока в электрической цепи, помимо источника, необходимо наличие потребителя энергии.

Ток рекуперации протекает под действием разности э.д.с. двигателей и напряжения контактной сети. При отсутствии потребителя рекуперативное торможение невозможно из-за отсутствия тока. В этом случае напряжение в контактной сети значительно повышается, поэтому необходимо перейти на замещающее реостатное торможение, используя в качестве потребителя пускотормозные резисторы.

Одновременно в процессе рекуперативного торможения могут подключиться дополнительные потребители, и напряжение контактной сети резко понизится. Тогда ток рекуперации скачкообразно увеличится и его значение может стать недопустимо большим. Поэтому величину тока рекуперации необходимо автоматически контролировать и постоянно поддерживать на заданном уровне.

Таким образом, для надежной работы в режиме рекуперации необходимо выполнять следующие условия:

величина э.д.с., вырабатываемой двигателями, должна быть больше величины напряжения контактной сети;

обязательное наличие потребителя вырабатываемой энергии;
независимое возбуждение ТД;
электрическая устойчивость (обеспечивается параметрами и конструктивными особенностями силовой цепи).

8 Расчёт удара колеса по рельсу

- Скорость поезда

- Длина ползуна

r- Радиус колеса

- Вес неподрессорных частей

- Приведённый вес рельса

- Жесткость в контакте колеса и рельса

g- Скорость свободного падения

r=0.475м

=64,88кг/м

=70100кг

=кг/м

1) Производим расчет, изменяя скорость движения электрички, при постоянном =0,004м

2) Производим расчет, изменяя величину размера ползуна, при постоянном значении =100м/с

Результаты расчетов приведены в таблицах 3 и 4 и на рисунках 5, 6.

Таблица 3

Зависимость силы удара от скорости движения

Скорость движения вагона, м/с	Величина силы Pm, кН
40	8,663
60	12,995
80	17,326
100	21,658
120	25,989
140	30,320
160	34,652

Рис. 5. Зависимость силы удара от скорости движения

Таблица 4

Зависимость силы удара от размеров ползуна

Размер ползуна, мм	Результаты Рm, кН
1	5,414
2	10,829
3	16,243
4	21,658
5	27,072
6	32,486
7	37,901

Рис. 6. Зависимость силы удара от размера ползуна

Из полученного выражения следует, что для уменьшения силы удара ползуна колеса по рельсу необходимо уменьшить массу неподрессоренных частей и контактную жесткость Ж₁. Нужно использовать более прочные материалы. Для уменьшения жесткости Ж₁, необходимо уменьшить толщину диска колесного центра, изменить его конфигурацию, применять упругие диски.

9 Экспериментальная часть

В ходе экспериментальной работы была создана установка (рис. 7), при помощи которой металлический стержень совершал удары по двум металлическим пластинам с разной поверхностью. Всего за 4 минуты было совершено около 5 тысяч ударов. В результате проведенного эксперимента было отслежено изменение поверхности с течением времени. Наглядно эксперимент и его результаты видны на приведенных рисунках и графике (рис. 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17).

Рис. 7. Экспериментальная установка

Исходя из результатов эксперимента, мы видим, что на первой минуте эксперимента поверхность пластинки выравнивается, но затем с течением времени поверхность начинает разрушаться.

Рис. 8. Поверхность подачи 0,21 мм/об, исходная поверхность I=0,78 мм/об

Рис. 9. Поверхность подачи 0,21 мм/об, итоговая поверхность I=0,72 мм/об, 4 мин

Рис. 10. Поверхность подачи 0,07 мм/об, исходная поверхность I=0,78 мм/об

Рис. 11. Поверхность подачи 0,07 мм/об, итоговая поверхность I=0,69 мм/об,4 мин

Рис. 12. Шероховатость поверхностей при 1 минуте нагружения

Рис. 13. Шероховатость поверхностей при 2 минутах нагружения

Рис. 14. Шероховатость поверхностей при 3 минутах нагружения

Рис. 15. Шероховатость поверхностей при 4 минутах нагружения

Рис. 16. Трехмерная модель поверхности

Рис. 17. График изменения поверхности

синий график при подаче 0,07мм/об, черный график при подаче 0,21мм/об.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные в работе аналитические и численные результаты приводят к следующим выводам:

1) Разработан метод прогнозирования развития плоского дефекта на поверхности катания колесной пары при малых скоростях поезда с учетом упругих сил рессорного подвешивания кузова вагона и неровности пути, позволяющий решать следующие задачи:

- определять текущие размеры ползуна и глубину пластического смятия материала колеса вследствие удара поверхностью ползуна о рельс;

- определять напряжение на площадке контакта и степень упрочнения материала в месте ползуна;

- определять силу удара;

- прогнозировать момент начала разрушения для своевременного снятия колесной пары с эксплуатации.

2) На базе полученного решения задачи прогнозирования развития ползуна в процессе эксплуатации рекомендуется способ предварительной оценки размеров ползуна (площади ползуна от пройденного пути), обеспечивающий специалистов необходимой текущей информацией для принятия решения о допустимом плече транспортировки вагона с ползуном и допустимой скорости движения.

3) При скоростях поезда, меньших критической, высота смятия от цикла к циклу уменьшается довольно быстро на первом же десятке километров пути. При дальнейшем движении это уменьшение замедляется, что объясняется упрочнением материала колеса и увеличением площади контакта. При этом влияние коэффициента упругости подвески и неровности пути на развитие ползуна мало.

4) При скоростях поезда, больших критической, передняя кромка ползуна теряет контакт с рельсом, колесо на мгновение зависает над рельсом и ударяется каждый раз задней кромкой площадки, образованной на предыдущем ударе в результате пластической деформации. При этом высота смятия зависит не только от скорости поезда, но и от коэффициента упругости подвески и неровности пути и имеет общую тенденцию к снижению(ползун закатывается) При достаточно больших скоростях (до 25 м/c) на первых 50–100 ударах высота смятия может даже оказаться несколько выше первоначальной (сказывается рост скорости до удара).

5) Разработанная математическая модель позволяет прогнозировать ресурс колеса, имеющего ползун.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Гарипов Д.С. Прогнозирование развития ползуна и оценка его влияния на динамику колеса: автореф. дисс. .... кандидата технических наук: 05.22.07 / Гарипов Дмитрий Сергеевич; Самара: СамГУПС, 2012. – 18с.
Кудюров Л. В. «Исследование динамики вагонного колеса, имеющего ползун на поверхности катания. Самара: СамГУПС, 2013. – 140с.
Шахунянц Г. М. «Железнодорожный путь» М. Транспорт, 1969. – 536с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 2

Предельные глубины ползуна

Начальная глубина ползуна, мм	Скорость движения,	Предельная глубина ползуна, мм	Предельное расстояние, км
1	до 70	закатывается	1
2	15	3,9	376
3	15	4,8	350
4	15	5,7	290
5	15	6,7	287
6	10	7,7	276
7	10	8,7	252
8	10	9,6	234
9	10	10,6	227
10	10	11,5	203
11	10	12	60

Просмотров работы: 593

Код для цитирования:

IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАЗВИТИЯ ПОЛЗУНА

Студенческий научный форум - 2017
IX Международная студенческая научная конференция