Збільшення ресурсу бандажів коліс локомотивів за рахунок удосконалення технології репрофілювання поверхонь кочення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.22.07 - Рухомий склад залізниць та тяга поїздів

Збільшення ресурсу бандажів коліс локомотивів за рахунок удосконалення технології репрофілювання поверхонь кочення

Діденко Дмитро Михайлович

Луганськ - 2008



Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля, Міністерство освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Ткаченко Віктор Петрович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, професор кафедри теоретичної та прикладної механіки

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Маслієв Вячеслав Георгійович, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», професор кафедри електричного транспорту та тепловозобудування

- кандидат технічних наук Кашуба Володимир Іванович, ВАТ «ХК «Луганськтепловоз», директор інженерно-сервісного центру «Лугтранспорт»

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Ю.І. Осенін



Анотація

колесо рейка гребінь бандаж локомотив

Діденко Д.М. Збільшення ресурсу бандажів коліс локомотивів за рахунок удосконалення технології репрофілювання поверхонь кочення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.07 - рухомий склад залізниць та тяга поїздів. - Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля, Луганськ, 2008 р.

У роботі дістала подальшого розвитку теорія моделювання фрикційної взаємодії коліс локомотива з рейками та розроблено методи збільшення ресурсу бандажів за рахунок вдосконалення технології репрофілювання поверхонь кочення.

Встановлено, що однією з істотних причин зниження ресурсу бандажів локомотивів є нераціональний вибір методів вимірювання і контролю зносу поверхонь кочення і технології репрофілювання в процесі експлуатації, чим створюються метрологічні передумови для частіших обточувань бандажів і, як наслідок, штучно знижується їх ресурс. Запропоновано внести зміни до «Інструкції з формування, ремонту й утримання колісних пар тягового рухомого складу залізниць України колії 1520 мм». Розроблено технологічний метод збільшення ресурсу бандажів, заснований на селективному управлінні параметрами зносу поверхні кочення бандажів шляхом корекції профілю гребеня. Метод дозволяє збільшити ресурс бандажів, приблизно, в 2,0-2,5 рази.

Ключові слова: локомотив, колісні пари, контакт колеса із рейкою, фрикційна взаємодія колеса з рейкою, математичне моделювання, знос поверхонь кочення, ресурс бандажів, підріз гребенів.



Аннотация

Диденко Д.М. Повышение ресурса бандажей колес локомотивов за счет усовершенствования технологии репрофилирования поверхностей качения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 - подвижной состав железных дорог и тяга поездов. - Восточноукраинский национальный университет им. В.Даля, Луганск, 2008 г.

Боковой износ рельсов и гребней железнодорожных колес на отечественных железных дорогах стал серьезной проблемой, создающей угрозу безопасности движения поездов и приводящей к значительным материальным затратам в эксплуатации. На отдельных дорогах боковой подрез гребней превысил уровень нормативного износа в несколько раз и привел к сокращению ресурса бандажей в 3-5 раз.

Диссертация посвящена решению одной из научно-прикладных задач, связанных с проблемой контактирования колес локомотивов с рельсом - снижению интенсивности износа (подреза) гребней.

Проведенные теоретико-экспериментальные исследования направлены на изучение закономерностей и причин повышения интенсивности износа поверхностей катания колес локомотивов, в частности, подреза гребней, а также технологических путей повышения ресурса бандажей.

В работе получила дальнейшее развитие теория моделирования фрикционного взаимодействия колес локомотива с рельсами. Усовершенствованна модель распределения контактных нагрузок при гребневом контакте на основе комплексного позиционного аргумента функции распределения параметров контактирования, учитывающего инерционные, демпфирующие и упругие свойства рельсового пути.

Разработан метод исследования силового фрикционного взаимодействия колес с рельсами на основе использования функций контактирования вместо геометрических профилей контактирующих поверхностей.

Разработан метод геометрического моделирования процесса формообразования изношенных профилей колес и рельсов, что учитывает их относительную износостойкость. Метод позволяет на основе начальных профилей колеса и рельса получить изношенные профили поверхностей катания с заданными конечными параметрами износа. Разработан метод динамического моделирования относительной интенсивности подреза гребней, основанный на энергетическом методе оценки массового износа.

Разработаны методы увеличения ресурса бандажей за счет совершенствования технологии измерении, контроля и восстановления профиля поверхностей катания.

Опытно-экспериментальные исследования эксплуатационных характеристик изнашивания поверхностей катания колес локомотивов проведены на примере парка тепловозов депо Родаково Донецкой железной дороги.

Целью экспериментальных исследований было: выявление закономерностей процесса изнашивания поверхностей катания колес на основе анализа динамики износа и изменения геометрии профилей бандажей; определение причин интенсивного снижения ресурса бандажей, которое наблюдается в последние годы; поиск путей увеличения ресурса бандажей колес локомотивов. Экспериментальный парк локомотивов включал 10 тепловозов 2ТЭ116, работающих в грузовом движении на маршрутах Донецкой железной дороги.

Установлена одна из существенных причин снижения ресурса бандажей локомотивов, заключающаяся в нерациональности выбора методов измерения и контроля износа поверхностей катания и технологии репрофилирования бандажей в процессе эксплуатации. Выполненный сравнительный анализ методик измерения параметров износа поверхностей катания колес, применяемых на железных дорогах Украины в соответствии с «Инструкцией по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог Украины колеи 1520 мм (ВНД 32.0.07.001.2001), показал, что эти методики дают существенно отличающиеся результаты измерений показателей износа. Вследствие этого в процессе контроля показателей подреза гребней на ТО невозможно сделать однозначный вывод о необходимости обточки бандажей. Сделан вывод о том, что действующая Инструкция ВНД 32.0.07.001.2001-305-Ц, в результате несбалансированности требований по отдельным показателям износа, создает метрологические предпосылки для более частых обточек бандажей и, тем самым, искусственно снижает их ресурс.

Разработан метод оценки показателей износа поверхности качения бандажей, адаптированный к действующей Инструкции.

Предложено внести изменения в Инструкцию ВНД 32.0.07.001.2001- 305-Ц, а именно, снизить предельно-допустимое значение параметра крутизны гребня для профиля ЗАО «МИНЭТЭК» - с 6,5 мм до 4,6 мм, а для профиля ГОСТ 11018-87 с 6,5 мм до 3,8 мм. Такое изменение, по мнению автора, позволит без снижения уровня безопасности движения увеличить ресурс бандажей локомотивов 2,0-2,5 раза. Предложения автора учтены в изменении к Инструкции ВНД 32.0.07.001.2001-305-Ц (приказ Укрзалізниці № 598-Ц від 18.12.2007).

Установлено, что эксплуатационный ресурс бандажей, в большинстве случаев (77%), ограничивается одним из показателей износа, а именно, параметром крутизны гребня. На основе анализа эксплуатационных показателей износа поверхностей катания бандажей предложен технологический метод увеличения ресурса бандажей, основанный на селективном управлении параметрами износа поверхности катания бандажей путем замены полной обточки бандажа коррекцией профиля гребня. Метод позволяет увеличить ресурс бандажей, ориентировочно, в 2,0-2,5 раза.

Ключевые слова: локомотив, колесные пары, контакт колеса с рельсом, фрикционное взаимодействие колеса с рельсом, математическое моделирование, износ поверхностей катания, ресурс бандажей, подрез гребней.



Annotation

Didenko D.M. Increase of resource of bracers of wheels of locomotives due to the improvement of technology of re-profiling surfaces of rolling. - It is manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.22.07 - rolling stocks and train traction. - of Vladimir Dal's East Ukrainian national university, Lugansk, 2008.

Dissertation is devoted to researches of wear of locomotive wheels surfaces. Theory of design of locomotive friction wheels-rails contact was gotten further development in work. The methods of increase of bracers resource are developed due to the improvement of technology of wheel shape renewal.

It is set that one of substantial reasons of diminishing of bracers resource is the inefficient choice of measuring methods and control of wheels wear, and also technology of grinding in the process of exploitation. It creates metrological preconditions for more frequent grindings of wheels and artificially reduces the resource of bracers. It is offered to make alterations in «Инструкция по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог Украины колеи 1520 мм» (ВНД 32.0.07.001.2001).

The technological method of increase of bracers resource is developed. A method is based on the selective management by the parameters of wheels wear. A method consists in correction of shape of comb. A method allows to multiply the resource of bracers, probably, in 2,0-2,5 time.

Keywords: a locomotive, wheeled pair contact of wheel with a rail, friction cooperation of wheel with a rail, mathematical design wear of surfaces, resource of bracers.



1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Функціонування залізничного транспорту пронизує всі галузі економіки України, здійснюючи 65% пасажирських і 80% вантажних внутрішніх і міжнародних перевезень. За час існування рейкового транспорту він зазнав великі кількісні і якісні удосконалення, при цьому, практично незмінним залишився основний його елемент - система спирання і спрямування екіпажів рейковою колією через контакти коліс з рейками. Проте, контакт колеса з рейкою залишається одним з самих недосліджених елементів рейкового транспорту.

У проблемі контакту колеса з рейкою приховані економічність перевезень, ефективність роботи вузлів і конструкцій рухомого складу і колії, вартість їх експлуатації і ремонту.

Однією з науково-прикладних задач, пов'язаних із проблемою контакту колеса з рейкою, як в Україні, так і за кордоном, є задача зниження інтенсивності зносу (підрізу) гребенів коліс рухомого складу. У середині 90-х років знос гребенів коліс і бічних поверхонь рейок на дорогах країн СНД з природного процесу зношування поверхонь тертя перетворився на гостру проблему, яка одержала статус «колісно-рейкового вірусу». На окремих дорогах бічний підріз гребенів перевищив рівень нормативного зносу у декілька разів і привів до скорочення ресурсу колісних пар у 3-5 разів, що привело до значного збільшення експлуатаційних витрат залізничного транспорту.

Численні дослідження причин підвищеного зносу гребенів дозволили визначити деякі його причини і розробити певні шляхи зниження. Але, не зважаючи на це, проблема підрізу гребенів бандажів, особливо на локомотивах, до цього часу залишається досить гострою. У зв'язку з цим тема даної роботи, направленої на збільшення терміну служби бандажів коліс локомотивів, є досить актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до державної програми розвитку залізничного транспорту України “Розвиток рейкового рухомого складу соціального призначення для залізничного транспорту та міського господарства” (№02-02-104/01-04). Основні положення дисертації увійшли в НДР: «Теоретичні дослідження стохастичних процесів у багатокомпонентних механічних і теплофізичних процесах» (№ держ. рег. 0100U006292); «Створення перспективних конструкцій рейкового транспорту і обґрунтування їх ефективності на основі модульної інформаційної системи» (№ держ. рег. 0103U000422).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розвиток положень теорії фрикційної контактної взаємодії коліс з рейками і розробка методів збільшення ресурсу бандажів коліс локомотивів за рахунок удосконалення технології відновлення профілю поверхні кочення.

Для досягнення поставленої мети визначено наступні завдання досліджень:

- формалізація експлуатаційних показників зносу гребенів;

- удосконалення методу оцінки і контролю зносу поверхонь кочення коліс;

- удосконалення методу математичного моделювання гребеневого контакту коліс з рейками при русі локомотива у прямих і кривих ділянках колії;

- розробка методів моделювання процесу формоутворення профілю поверхні кочення бандажів у процесі зношування;

- аналіз експериментальних даних по зносу гребенів локомотивів в умовах депо;

- розробка методів збільшення ресурсу бандажів локомотивів за рахунок вдосконалення технології контролю і репрофілювання поверхонь кочення.

Об'єкт досліджень - процес фрикційного зношування коліс рухомого складу залізничного транспорту.

Предмет досліджень - знос поверхонь кочення коліс локомотивів і технологічні методи збільшення ресурсу бандажів.

Методи досліджень. Рішення наукової задачі виконане з використанням наступних теорій і методів: теорії механізмів і машин; теоретичної динаміки механічних систем; теорії тертя; математичного моделювання; аналітичної геометрії; чисельних методів інтегрування систем диференційних рівнянь; методів планування експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше встановлено, що однією з причин істотного зниження ресурсу бандажів є нераціональний вибір методів вимірювання і контролю зносу поверхонь кочення та технології репрофілювання у процесі експлуатації;

- одержала подальшого розвитку теорія фрикційної контактної взаємодії коліс з рейками на основі використання у якості аргументу функції розподілу параметрів двоточкового контактування повної бічної сили, що діє на колесо з боку рейки, з урахуванням жорсткісних, інерційних і демпфіруючих властивостей колії;

- вдосконалений метод геометричного моделювання зношених профілів коліс і рейок, заснований на припущенні, що знос є величиною, пропорційною ступеню взаємного проникнення контурів досліджуваних профілів і коефіцієнту відносного зносу;

- вперше запропоновано підхід до питання збільшення ресурсу бандажів локомотивів, заснований на селективній корекції показників зносу в процесі репрофілювання.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується: використанням апробованих методик складання диференційних рівнянь руху механічних систем; використанням надійних зовнішніх функцій, що описують нелінійні зв'язки між елементами екіпажа, зокрема, характеристики сил повздовжнього і поперечного зчеплення в основному контакті коліс з рейками і характеристики тертя у гребеневому контакті колеса з головкою рейки; стійкістю рішення систем диференційних рівнянь за рахунок зменшення їх неоднорідності щодо частот незалежних змінних; задовільною збіжністю розрахункових результатів і даних по зносу бандажів локомотивів, одержаних в умовах експлуатації локомотивного депо.

Наукове значення роботи полягає у подальшому розвитку теоретичних методів моделювання фрикційної взаємодії коліс із рейками і формоутворення профілів поверхонь кочення коліс рухомого складу, зокрема, підрізу гребенів бандажів локомотивів.

Практичне значення одержаних результатів дисертації складають:

- методика математичного моделювання гребеневого контактування колеса з рейкою, що дозволяє проводити дослідження впливу форми профілів поверхонь кочення коліс і конструктивних параметрів екіпажів на інтенсивність зносу гребенів в експлуатації;

- методика моделювання полігону обертання локомотивів у вигляді тестової ділянки колії, що включає пряму, перехідну і колову криві;

- метод збільшення ресурсу бандажів коліс локомотивів, заснований на систематизації способів вимірювання і контролю показників зносу поверхонь кочення коліс;

- технологічний метод підвищення ресурсу бандажів коліс локомотивів, заснований на заміні повного обточування бандажів корекцією профілю гребеня в процесі відновлення поверхонь кочення, що дозволяє збільшити ресурс бандажів у 2,0-2,5 рази.

Запропоновані автором методи збільшення ресурсу бандажів використані в локомотивному депо Родакове Донецької залізниці.

Рекомендації дисертації враховано у зміні № 2 до ВНД 32.0.07.001.2001 «Інструкції з формування, ремонту й утримання колісних пар тягового рухомого складу залізниць України колії 1520 мм» (наказ Укрзалізниці № 598-Ц від 18.12.2007 - пункти 3.6.6 а і б).

Розроблений автором метод математичного моделювання гребеневого фрикційного контакту колісних пар із колією та методика розрахунку динамічного розподілу силового навантаження між контактами двоточкового контактування прийнято до використання ВАТ «ХК «Луганськтепловоз».

Це дозволило значно підвищити точність математичного моделювання взаємодії колеса з рейкою і одержати більш вірогідні результати теоретичних досліджень щодо зносу поверхонь кочення та прогнозування ресурсу бандажів локомотивів.

Наукові результати досліджень використані при розробці розділів лекційних курсів, лабораторних робіт і тематики курсового і дипломного проектування і науково-дослідних робіт студентів спеціальності «Рухомий склад і спецтехніка залізниць» кафедри залізничного транспорту СНУ ім. В. Даля.

Особистий внесок здобувача. Всі положення і результати, винесені на захист, були одержані автором самостійно.

Конкретний персональний внесок здобувача в працях, опублікованих у співавторстві полягає в наступному:

- розробка алгоритму і програми розрахунку параметрів гребеневого контакту залежно від відносного положення колеса і рейки [1];

- отримання аналітичних залежностей і проведення розрахунків [3];

- проведення експериментальних досліджень закономірностей профілеутворення поверхонь кочення коліс в умовах депо, виконання статистичної обробки результатів [4];

- розробка методики розрахунку нормального тиску в гребеневих контактах [5];

- розробка методики розрахунку розподілу параметрів контактування між основним і гребеневим контактами [6];

- розробка методики розрахунку гребеневого навантаження [7];

- розробка кінематичної схеми колісного рушія системи колесо-рейка [8];

- аналіз розрахункових і експериментальних значень нормальних навантажень в контактах коліс з рейками [9];

- аналіз методик метрологічного контролю підрізу гребенів [10].

Публікації та апробація. За темою дисертації опубліковано 10 наукових робіт у наукових фахових виданнях. Одну статтю опубліковано без співавторів. Основні положення дисертації увійшли до доповідей автора на науково-технічних конференціях: Міжнародні науково-технічні конференції «Проблеми розвитку локомотивобудування» (АР Крим - 2004, 2006, 2007рр.); Науково-технічні конференції СНУ ім. В.Даля (Луганськ - 2003-2008рр.); Міжкафедральний науковий семінар «Рухомий склад залізниць і тяга поїздів» СНУ ім. В. Даля (Луганськ - 2008 р.).

Структура і обсяг дисертації. Дисертація включає вступ, чотири розділи, висновки, має обсяг 145 сторінок основного тексту, 74 рисунки на 22 стор., 15 таблиць на 6 стор., чотири додатки, список використаних джерел з 130 найменувань.

2. Основний зміст роботи

У вступі показано актуальність теми, обґрунтовано вибір об'єкту та предмету дослідження, подано загальну характеристику роботи.

У першому розділі «Огляд досліджень зносу поверхонь кочення коліс локомотивів» виконано аналіз експлуатаційних показників зносу поверхонь кочення коліс тягового рухомого складу і технології відновлення профілю за допомогою обточування бандажів. Відмічено, що для відновлення профілю колеса у разі підрізу гребеня необхідно зрізати в 2-3 рази більше металу, ніж при репрофілюванні через граничний знос за прокатом.

Характер зносу, що визначається інтенсивністю зміни форми гребеня, залежить від умов тертя, властивостей матеріалів гребеня і рейки і наявності в контакті колеса з рейкою, так званого, «третього тіла» - абразиву або мастила. Розглянуто види зносу гребенів і бічних поверхонь рейок: контактно-втомний, фрикційний і контактно-пластичний.

Досліджено історію питання підрізу гребенів. Наведено багатий статистичний матеріал з розподілу відносної кількості обточувань бандажів локомотивів з різних причин по мережі залізниць Росії і України.

Дослідженню чинників, що впливають на інтенсивність і характер зносу поверхонь кочення коліс і закономірностей формоутворення їх профілів в процесі експлуатації, присвячена велика кількість досліджень учених: А.Е. Алексєєва, С.В. Альохіна, С.М. Андрієвського, М.Х. Ахметзянова, Д.Н. Бабенка, І.С. Бауліна, А.І. Біляєва, В.М. Богданова, Н.А. Буше, А.Л. Васютинського, М.Ф. Веріги, М.В. Вінокурова, О.Л. Голубенка, Т.К. Голутвіной, В.І. Дороніна, О.П. Єршкова, І.П. Ісаєва, А.А. Камаєва, Н.А. Ковальова, В.С. Косова, П.Г. Козійчука, В.П. Крачковського, Д.А. Курасова, С.М. Куценка, В.А. Лазаряна, Т.В. Ларіна, С.А. Ліньова, А.А. Львова, Т.Н. Ляшенка, Д.П. Маркова, В.Г. Маслієва, В.Б. Меделя, Л.П. Мелентьєва, Д.К. Мінова, Н.Т. Мітюшина, І.І. Ніколаєва, Ю.І. Осеніна, Н.А. Панькіна, Н.П. Петрова, А.Н. Савоськина, Б.Н. Сергєєва, А.В. Сломянського, С.Н. Смирнова, В.П. Ткаченка, В.Ф. Ушкалова, М.А. Фрішмана, X. Хеймана, В.Н. Хлєбнікова, А.А. Холодецького, Н.Г. Чегаєва, В.А. Шеваліна, В.Н. Шестакова, В.Ф. Яковлєва та інших.

На підставі думок різних учених і фахівців-практиків виділені наступні істотні чинники, що впливають на інтенсивність зносу гребенів колісних пар рухомого складу: величина осьового навантаження; рівень направляючих сил; величина кутів набігання колісних пар на рейки; амплітуда і характер звивистого руху в прямих ділянках колії; відносний час руху в кривих ділянках колії; коефіцієнт тертя в контакті гребеня колеса з рейкою; застосування рубрикації; характеристика поверхневих забруднень; метеорологічні умови експлуатації; профілі поверхонь кочення колеса і рейки; відхилення геометричних параметрів установки колісних пар від номінальних при виготовленні та в експлуатації; різниця діаметрів поверхонь кочення і форми гребенів коліс колісних пар; характеристика опорно-повертаючих пристроїв; характеристика поперечного зв'язку візків з кузовом; пружно-дисипативні характеристики приводу колісних пар; незбалансованість ресорного підвішування; швидкість і режим руху локомотива; характеристики рейкової колії; підухил та звуження колії; статичні і динамічні нерівності колії; якість і твердість металу колеса і рейки; методи технологічного зміцнення коліс і рейок; технологія контролю і відновлення профілю коліс.

Названі чинники відображають погляди і думки про причини інтенсивного зносу гребенів окремих учених.

У розділі відмічається, що в останні 15 років проблема інтенсивного підрізу гребенів набула особливої гостроти через зниження ресурсу бандажів в середньому в 2-3 рази. При цьому технологічний знос в процесі обточувань складає до 80 % загального зносу поверхонь кочення бандажів. В результаті аналізу критеріїв оцінки інтенсивності зносу гребенів коліс локомотивів зроблений висновок про те, що формалізація критеріїв оцінки інтенсивності підрізу гребенів є важливим чинником зниження експлуатаційних витрат, пов'язаних з репрофілюванням поверхонь кочення бандажів коліс локомотивів. Запропоновано новий підхід до розв'язання проблеми підвищення ресурсу бандажів, пов'язаний із удосконаленням системи виміру, контролю і технології відновлення профілів поверхонь кочення бандажів у процесі технічного обслуговування і ремонту.

У другому розділі «Дослідження параметрів фрикційної гребеневої взаємодії колеса з рейкою» розглянуто геометричні параметри, кінематику і динаміку гребеневого контактування колеса з рейкою.

До геометричних параметрів гребеневого контактування відносяться: - координати точок контактів у системі профілю колеса для І і ІІ контактів; - радіуси кругів кочення контактів j-го колеса k-ї колісної пари m-го візка; - ухили профілю колеса.

У дисертації виконано дослідження параметрів контактування локомотивного профілю ГОСТ 11018-87 і профілю ЗАТ «МІНЕТЕК» з рейкою Р65, як найбільш поширених на залізницях України.

Через випадковість характеру трибологічних процесів, що протікають в контактах коліс і рейок та різноманітність умов експлуатації рухомого складу моделювання зношених профілів поверхонь кочення коліс і рейок є вельми складним завданням. Запропонований автором геометричний метод моделювання зношених профілів коліс і рейок дозволяє на основі початкових профілів та заданих кінцевих параметрах зносу одержати можливі зношені профілі поверхонь кочення колеса й рейки. Метод заснований на припущенні про те, що величина зносу взаємодіючих коліс і рейок пропорційна ступені взаємного проникнення (накладення) контурів досліджуваних профілів і коефіцієнту відносного зносу колеса і рейки.

Зважаючи на те, що двоточковий контакт є статично невизначеною системою, задача про розподіл навантажень між контактами розв'язувалася з урахуванням сумісних деформацій елементів системи колесо-рейка. При цьому, при записі рівняння рівноваги рейкової нитки (рівняння віджимання рейки) запропоновано враховувати повну бічну силу в контактах коліс з рейками.

Зроблено висновок про те, що функції контактування колеса з рейкою значно відрізняються від геометричних профілів коліс і рейок, у зв'язку з чим дослідження силової взаємодії коліс з рейками необхідно проводити з використанням функцій контактування, а не геометричних профілів.

Запропоновано метод динамічного моделювання відносної інтенсивності підрізу гребенів, заснований на енергетичній теорії зносу. При розрахунку фактору зносу розподіл нормального навантаження по площі контактних плям визначався за теорією Герца з урахуванням геометричних характеристик контактів.

Швидкість ковзання у точках контактування розглядалась однаковою у межах плями і дорівнювала швидкості ковзання у центрі відповідної плями.

Одержана функція розподілу горизонтального зносу (підрізу) гребеня по профілю колеса, дозволяє моделювати процес формоутворення у процесі зносу профілів коліс і отримати співвідношення між показниками підрізу гребенів на детермінованих динамічних моделях руху екіпажа.

У третьому розділі «Математичне моделювання зносу поверхонь кочення колісних пар локомотива» побудовано математичну модель і виконано теоретичне дослідження фрикційного формоутворення профілю поверхні кочення колеса у процесі тяглової роботи.

Вибір чинника зносу гребенів у якості критерію достовірності математичного моделювання ґрунтується на результатах обробки статистичних даних про знос гребенів парка тепловозів 2ТЭ116 локомотивного депо Родакове Донецької залізниці.

Прийнято розрахункову схему із 36 ступенями свободи. Диференційні рівняння руху екіпажа одержано на основі рівнянь Лагранжа другого роду.

Для отримання показників зносу виконано обчислення часових залежностей кінематичних (амплітуда, довжина хвилі виляння елементів екіпажа, швидкості ковзань в контактах) і динамічних (нормальні реакції в гребеневих контактах) характеристик руху.

На основі аналізу розрахункових залежностей ресурсу бандажів за основними показниками зносу гребенів встановлено, що ресурс обмежується одним з критеріїв, а саме параметром крутизни гребеня.

При досягненні параметром крутизни гребеня граничного значення (6,5 мм) два інших параметри, як правило, мають певний запас: по товщині гребеня - в 1,8-2,2 рази, по прокату - в 2,9-3,2 рази.

Формалізовано показники зносу гребеня, що визначають параметр крутизни гребеня. Підріз гребеня характеризується зносом у базових точках.

Знос зменшує параметр крутизни гребеня і сприяє достроковій обточці бандажів, в той час як знос призводить до збільшення параметра крутизни і позитивно впливає на ресурс бандажів.

На основі функцій розподілу фактору зносу по профілю колеса отримано показники горизонтального зносу гребеня і для профілів ГОСТ 11018-87 і ЗАО «МІНЕТЕК».

У четвертому розділі «Дослідно-експериментальні дослідження зносу гребенів колісних пар локомотивів» наведено результати досліджень експлуатаційних характеристик зношування поверхонь кочення коліс локомотивів на прикладі парку тепловозів депо Родакове Дон. залізниці, на підставі вимірів параметрів профілю бандажів протягом 2005-2007 рр.

Метою експериментальних досліджень було: виявлення закономірностей процесу зношування поверхонь кочення коліс на основі аналізу динаміки геометрії профілів бандажів; визначення причин зниження ресурсу бандажів, що спостерігається в останні роки; пошук шляхів збільшення ресурсу бандажів колісних пар тепловозів.

Експериментальний парк включав 10 тепловозів 2ТЭ116, приписаних до депо Родакове, що працюють у вантажному русі.

Виконано аналіз методик виміру параметрів зносу поверхонь кочення коліс за «Інструкцією з формування, ремонту і утримання колісних пар тягового рухомого складу залізниць України колії 1520 мм» (ВНД 32.0.07.001.2001) гребеневимірювачем ГУ-1, шаблоном И536.00.00 і шаблоном ДО-1. Порівняльний аналіз цих методик показав, що вони дають результати, які істотно відрізняються. Зроблено висновок, що чинна Інструкція ВНД 32.0.07.001.2001-№ 305-Ц, внаслідок незбалансованості вимог за окремими показниками зносу, містить метрологічні передумови для більш частих обточувань бандажів і, тим самим, штучно знижує їх ресурс.

У зв'язку з цим запропоновано внести до «Інструкції з формування, ремонту і утримання колісних пар тягового рухомого складу залізниць України колії 1520 мм» наступні зміни: зменшити гранично-допустиме значення параметра крутизни для профілю ЗАТ «МІНЕТЕК» - з 6,5 мм до 4,6 мм, а для профілю ГОСТ 11018-87 з 6,5 мм до 3,8 мм. Наведена пропозиція дозволяє збільшити ресурс бандажів локомотивів у 2,0-2,5 рази.

У розділі наведено дані виміру зносу гребенів тепловозів 2ТЕ116. Виміри геометричних параметрів профілів поверхонь кочення коліс проводилися протягом 2,5 років не рідше одного разу на місяць. Протягом експерименту було проаналізовано причини 360 обточок бандажів. Аналіз значень геометричних показників зносу бандажів до моменту обточування показав, що прокат і товщина гребеня практично ніколи не досягають своїх гранично допустимих значень.

Таким чином, ситуація, коли при значному запасі тіла бандажа по прокату і товщині гребеня бандажі обточують для виправлення одного з геометричних показників, а саме параметра крутизни, є типовою.

На базі цього висновку запропоновано новий підхід до управління показниками зносу гребенів бандажів локомотивів, заснований на корекції параметрів зносу в процесі відновлення його профілю. На основі нового підходу запропоновано технологічний метод збільшення ресурсу бандажів шляхом заміни повної обточки частковою корекцією профілю гребеня. Метод дозволяє збільшити ресурс бандажів, приблизно, в 2,0-2,5 рази.



Висновки

В результаті теоретичних і експериментальних досліджень зносу гребенів бандажів локомотивів одержала подальший розвиток теорія моделювання фрикційної взаємодії коліс з рейками та розроблено методи збільшення ресурсу бандажів за рахунок вдосконалення технології репрофілювання поверхонь кочення.

Основні результати роботи полягають в наступному.

1. Однією із істотних причин зниження ресурсу бандажів є нераціональний вибір методів вимірювання і контролю зносу поверхонь кочення і технології відновлення профілів бандажів в експлуатації.

2. Розроблено метод геометричного моделювання формоутворення зношених профілів коліс і рейок, що враховує їх відносну зносостійкість. Метод дозволяє на основі початкових профілів і заданих кінцевих параметрів зносу одержати зношені профілі поверхонь кочення.

3. Вдосконалено модель контактного навантаження при гребеневому контактуванні на основі комплексного аргументу функції перерозподілу параметрів контакту, що враховує інерційні, демпфіруючі і пружні властивості колії.

4. Розроблено метод дослідження силової взаємодії коліс з рейками на основі використання функцій контактування замість геометричних профілів контактуючих поверхонь.

5. Розроблено метод моделювання полігону обертання локомотивів на основі тестової ділянки шляху, що включає пряму, перехідну і кругову криві.

6. Розроблено метод динамічного моделювання відносної інтенсивності підрізу гребенів, заснований на енергетичному методі оцінки масового зносу.

7. Розроблено метод оцінки показників зносу поверхні кочення бандажів, адаптований до діючої «Інструкції з формування, ремонту і утримання колісних пар тягового рухомого складу залізниць України».

8. Встановлено, що експлуатаційний ресурс бандажів обмежується одним з показників зносу - параметром крутизни гребеня. При досягненні параметром крутизни гребеня граничного значення (6,5 мм) два інші параметри мають значний запас: по товщині гребеня - в 1,8-2,2 рази, по прокату - в 2,9-3,2 рази.

9. Встановлено, що чинна «Інструкція з формування, ремонту й утримання колісних пар тягового рухомого складу залізниць України колії 1520 мм» (ВНД 32.0.07.001.2001 - Мінтранс України - № 305-Ц), внаслідок незбалансованості вимог за окремими показниками зносу, містить в собі метрологічні передумови для частіших обточувань бандажів і, тим самим, штучно знижує їх ресурс.

10. Запропоновано внести в «Інструкцію з формування, ремонту і утримання колісних пар тягового рухомого складу залізниць України» наступні зміни: понизити гранично-допустимі значення параметру крутизни гребеня для профілю ЗАТ «МІНЕТЕК» - з 6,5 мм до 4,6 мм, а для профілю ГОСТ 11018-87 - з 6,5 мм до 3,8 мм.

11. Розроблено технологічний метод збільшення ресурсу бандажів, заснований на селективному управлінні параметрами зносу поверхні кочення бандажів шляхом корекції профілю гребеня. Метод дозволяє збільшити ресурс бандажів, приблизно, в 2,0-2,5 рази.



Основні публікації

1. Воронько О.М., Діденко Д.М., Сапронова С.Ю., Ткаченко В.П. Геометричний аналіз гребеневої частини профілів поверхонь кочення коліс рейкових екіпажів // Зб. наук. праць.? Харків: ХарДАЗТ, 2007.? Вип. 80.? С. 37-42.

2. Діденко Д.М. Геометричне моделювання профілів зношених поверхонь кочення коліс залізничного рухомого складу і рейок // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля - 2008. - № 1Е - режим доступу до журн.: http://www.nbuv.gov.ua/e-journals/Vsunud/2008-1E/08ddmrsr.htm.

3. Діденко Д.М., Воронько О.М., Сапронова С.Ю., Ткаченко В.П. Ефективний профіль контактування коліс залізничних екіпажів з рейками // Вісник Східноукр. нац. ун-ту. ім. В. Даля.- Луганськ: СНУ ім. В. Даля.- 2007.- № 1(107).- С. 136-140.

4. Голубенко А.Л., Диденко Д.М., Ткаченко В.П., Сапронова С.Ю. Закономерности профилеобразования поверхностей катания колес тепловозов 2ТЭ116 в процессе эксплуатации // Вісник Східноукр. нац. ун-ту. ім. В. Даля.- Луганськ: СНУ ім. В. Даля.- 2007.- № 8(114).? Ч. 2.? С. 221?226.

5. Голубенко А.Л., Ткаченко В.П., Сапронова С.Ю., Диденко Д.М. Исследование подреза гребней колес рельсовых экипажей // Вісник Схiдноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ: СНУ ім. В. Даля, 2004.-№ 8(78).- С. 8-11.

6. Диденко Д.М., Сапронова С.Ю., Ткаченко В.П. Кинематические параметры гребневого контактирования колес локомотива с рельсами // Вісник Східноукр. нац. ун-ту. ім. В. Даля. - Луганськ: СНУ ім. В. Даля. - 2007.- № 9(115).- С. 58-65.

7. Ткаченко В.П., Воронько А.Н., Диденко Д.М., Сапронова С.Ю. Исследование вкатывания гребня колеса на рельс // Вісник Схiдноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ: СНУ ім. В. Даля, 2005.-№ 5(87).- С. 255-260.

8. Ткаченко В.П., Сапронова С.Ю., Диденко Д.М. Кинематический анализ системы колесного движителя // Вісник Схiдноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ: СНУ ім. В. Даля, 2003.- № 12(70). - С. 159-164.

9. Ткаченко В.П., Сапронова С.Ю., Диденко Д.М. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований горизонтальной динамики дизель-поезда ДЭЛ01 // Вісник Схiдноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ: СНУ ім. В. Даля, 2003.- № 9 (67) - С. 185-190.

10. Ткаченко В.П., Сапронова С.Ю., Диденко Д.М., Воронько А.Н. Увеличение ресурса бандажей колесных пар локомотивов (метрологический аспект) // Залізничний транспорт України.- 2007.- № 6.- С. 51-54.

Размещено на Allbest.ru