Розрахунок та прогнозування шляхового фрикційного опору руху рейкових екіпажів

Размещено на http://www.allbest.ru/

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ уНІверситет

05.22.07 - рухомий склад залізниць та тяга поїздів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

РОЗРАХУНОК ТА ПРОГНОЗУВАННЯ ШЛЯХОВОГО ФРИКЦІЙНОГО ОПОРУ РУХУ РЕЙКОВИХ ЕКІПАЖІВ

Ткаченко Віктор Петрович

Луганськ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Східноукраїнському державному університеті Міністерства освіти України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Коняєв Олексій Миколайович, Східноукраїнський державний університет, професор кафедри "Залізничний транспорт".

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Коротенко Михайло Леонідович, Дніпропетровський державний технічний університет залізничного транспорту, завідувач кафедри "Електрорухомий склад";

доктор технічних наук, професор Дьомін Юрій Васильович, Київський інститут залізничного транспорту, головний науковий співробітник;

доктор технічних наук, професор Богомаз Георгій Іванович, Інститут технічної механіки НАН України, завідувач відділу динаміки багатомірних механічних систем.

Провідна установа:

Харківська державна академія залізничного транспорту, кафедра "Експлуатація та ремонт рухомого складу", Міністерство транспорту України, м. Харків.

Захист відбудеться 12 листопада 1999 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д29.051.03 Східноукраїнського державного університету за адресою:

348034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, СУДУ, корп.1, зал засідань.

Автореферат розісланий 28 вересня 1999г.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Осенін Ю.І.

ЗаГАЛЬНА ХаРАКТЕРИСТИКА РоБОТИ

Залізничний транспорт України, як і раніше, відіграє найважливішу роль у вантажних та пасажирських перевезеннях. Для свого функціонування він вимагає до 18 % загального споживання дизельного палива і 4,5 % - електроенергії. Зниження опору усього на 1 % дозволило б щороку економити на одному локомотиві до 40 МВтг електроенергії чи 17 т дизельного палива.

Актуальність теми. До 75 % електроенергії та палива, що споживаються залізничним транспортом, іде на подолання опору руху потягів. Дослідження структури опору руху визначили перспективний напрям його зниження за рахунок складової, зв'язаної з фрикційною взаємодією колісних пар і рейкового шляху - шляхового фрикційного (або кінематичного) опору руху. Приведені у роботі результати показують, що є реальні резерви зниження опору руху рейкових екіпажів на 8...20 %.

При проектуванні нових типів рухомого складу, через відсутність відповідних методик, характеристики опору руху не аналізуються. Часто це призводить до невиправданого збільшення в експлуатації фрикційних навантажень на контакти коліс із рейками, які, виконуючи роль фрикційних демпферів з високим рівнем розсіювання енергії, створюють додатковий опір руху. Непрямим тому підтвердженням можуть бути дані експлуатації з інтенсивного підрізу гребенів і боковому зносу головок рейок, про які стали казати, як про "рейкову чуму".

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати роботи використані ХК "Луганськтепловоз", відповідно до Державної Програми розвитку залізничного транспорту України. Основні положення дисертації увійшли в НДР: "Дослідження процесів реалізації сили тяги при впливі на локомотив зовнішніх динамічних збурень" (№держ.рег.81012271); "Розробка засобів, що забезпечують рейковому рухомому складу необхідні зчіпні та динамічні якості" (№держ.рег. 0193U002386); "Розробка фізико-технічних основ високоефективних систем і технологій транспорту" (№держ.рег.0196U021047); "Наукові основи, концепція і теорія створення перспективних конструкцій транспорту з поліпшеними енергетичними і екологічними характеристиками" (№держ. рег.0196U021048); "Наукові основи створення інформаційних технологій системного проектування ходових частин перспективних транспортних засобів" (№держ.рег.0197U008355).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методу розрахунку та прогнозування опору руху рейкових екіпажів, обумовленого фрикційною взаємодією коліс із рейками, на базі розвитку теорії замкнутих силових контурів. Для досягнення поставленої мети визначені такі завдання досліджень:

- визначення геометричних параметрів взаємодії колісних пар і рейкового шляху для різноманітних профілів поверхонь кочення і розробка математичної моделі двоточкового контакту з урахуванням його геометричних та пружних характеристик;

- розробка основних положень теорії замкнутих силових контурів, щодо кінематичних ланцюгів спрямування колісних пар рейковою колією;

- одержання експериментальних зовнішніх характеристик зчеплення коліс із рейками у зоні малих і близьких до нульових ковзань, у тому числі, при двоточковому контактуванні;

- опрацювання методики математичного моделювання кінематичного опору руху рейкових екіпажів;

- розрахунок характеристик кінематичного опору руху для серійних одиниць рухомого складу і аналіз впливу основних параметрів ходових частин екіпажів на опір руху;

- визначення характеристик опору коченню колеса по рейці при наявності у контакті кварцового піску;

- обгрунтування шляхів зниження опору руху рейкових екіпажів за рахунок поліпшення характеристик фрикційної взаємодії коліс із рейками.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше одержані характеристики шляхового фрикційного опору руху рейкових екіпажів;

- розроблені основи теорії замкнутих силових контурів, що базується на гіпотезі про істотну нерівномірність розподілу сил і крутячих моментів по гілках замкнутих структур силових ланцюгів приводу і спрямування колісних пар;

- вперше розроблено методику розрахунку і прогнозування шляхового фрикційного опору руху рейкових екіпажів, засновану на окремих положеннях теорії замкнутих силових контурів і виявлених закономірностях просторового двоточкового контактування коліс і рейок;

- розроблена математична модель двоточкового контакту колеса з рейкою, як статично невизначеної системи спирання, з урахуванням контактної пружності матеріалу і геометрії профілів коліс і рейок;

- на створеному автором комплексі експериментально-дослідного обладнання вперше одержані експериментальні характеристики опору руху в системі "колесо - рейка" при двоточковому контактуванні, що дозволять зв'язати кінематичні і динамічні параметри контактів коліс із рейками і використати їх, як зовнішні функції при математичному моделюванні кінематики і динаміки фрикційної взаємодії екіпажів і колії;

- вперше одержані залежності опору коченню колеса по рейці від параметрів кварцового піску та густини заповнення контактної зони; встановлено, що зусилля зруйнування часток піску в контакті колеса із рейкою непропорційне площі поперечного перетину частки; одержаний вираз для зусилля зруйнування;

- сформульовано критерій поперечної керованості екіпажів рейковою колією; у вигляді такого критерію прийнято кінематичний опір руху;

- виявлено зв'язок між структурою кінематичних ланцюгів ходових частин екіпажів і опором руху;

- вперше сформульовані і обгрунтовані наукові принципи зниження опору руху екіпажів за рахунок зменшення диференційних і циркуляційних втрат в замкнутих силових контурах багатоконтактної системи спирання і спрямування екіпажів рейковим шляхом; найбільш ефективним засобом виключення замкнутих силових контурів є введення розв'язувальних вузлових точок різноманітних типів.

Практичне значення одержаних результатів дисертації складають: методики моделювання, розрахунку і прогнозування шляхового фрикційного опору руху рейкових екіпажів; методика оцінки керованості рухомого складу; характеристики кінематичного опору руху більшості серійних одиниць рейкового рухомого складу; комплекс випробувального устаткування для дослідження зчеплення і кінематичного опору руху у системі "колесо - рейка".

Методика моделювання двоточкового контакту колеса із рейкою і методика розрахунку і оцінки кінематичного опору руху рейкових екіпажів впроваджені на ХК "Луганськтепловоз", де вони використовуються при проектуванні ходових частин тепловозів, дизель-поїздів та трамваїв.

Створений автором комплекс випробувального устаткування (а.с. СРСР №№ 802832, 1012142, 1176199, 1444636) використаний при випробуваннях елементів вузлів ходової частини нових тепловозів і трамваїв ХК "Луганськтепловоз", а також при виконанні НДР у Галузевій науково-дослідній лабораторії (ГНДЛ) "Тяглові якості і економічність локомотивів" і ГНДЛ "Тертя і мастило в приводах локомотивів", згідно з господарськими договорами з підприємствами України і Росії. Результати досліджень автора увійшли у розробку "Пружне колесо для рейкового екіпажу", на яку продана ліцензія фірмі "Феррошталь Акциєнгезельшафт" (Німеччина) (а.с.СРСР №№ 1184699, 1187375, 1243960; патенти: Франції №2557032, США №4635990, Італії №1195564, Великобританії №2153308 та ін. ).

Одержані наукові результати використовуються у навчальному процесі у нових розділах лекційних курсів, лабораторних робіт, курсового і дипломного проектування, науково-дослідних робіт студентів.

Особовий внесок здобувача. Дисертантом особисто:

- розроблено методику аналізу силових потоків у замкнутих структурах кінематичних ланцюгів механічних передач потужності [1,18];

- розроблено математичну модель двоточкового контакту колеса із рейкою [12^*,13^*];

- розроблено методику моделювання і оцінки кінематичного опору руху рухомого складу [4,6^*];

- розроблені математичні моделі рейкових екіпажів, алгоритми та програми розрахунку на ПК [2];

- одержані теоретичні і експериментальні залежності опору коченню колеса по рейці від параметрів кварцового піску і густини заповнення контактної зони [14^*];

- одержані розрахункові характеристики кінематичного опору руху для більшості серійних одиниць рухомого складу [5,11^*];

- одержані експериментальні характеристики зчеплення і опору руху в системі "колесо - рейка" при двоточковому контактуванні [1,19^*];

- створений комплекс випробувального устаткування для досліджень зчеплення коліс із рейками і параметрів опору руху [19^*];

розроблені критерії керованості рейкових екіпажів [2,7,10];

запропоновані технічні рішеннях екіпажної частини рухомого складу з низьким рівнем опору руху [3,15^*,16^*,17];

сформульовані наукові принципи зниження опору руху за рахунок зменшення диференційних і циркуляційних втрат у багатоколісному рушію [8, 9].

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертації увійшли у доповіді автора на науково-технічних конференціях, симпозіумах і конгресах: "Утворення і технічне обслуговування локомотивів великої потужності" (Ворошиловград-1985р.); "Viii Міжнародний конгрес по колісних парах" (Мадрид-1985р.); "Проблеми механіки залізничного транспорту" (Дніпропетровськ-1984,1988рр.); "Забезпечення надійності вузлів тертя машин" (Ворошиловград-1988р.); "Засоби діагностики технічних систем залізничного транспорту" (Омськ-1989р.); "Проблеми розвитку локомотивобудування" (Луганськ-1990р.; Крим-1993,1995, 1997,1998рр; Москва-1996р.); "Xvi, Хviii міжнародні симпозіуми з коливань у фізичних системах" (Познань-1994,1998рр.); на міжкафедральному семінарі "Управління технічною експлуатацією рухомого складу" ХарДаЗт (Харків-1997р.); на науково-технічних конференціях СУДУ (Луганск-1980-1998рр.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 91 наукову роботу, з яких: 2 монографії, 6 брошур, 25 статей у наукових виданнях, 19 доповідей і тез доповідей на конференціях, конгресах і симпозіумах, 14 депонованих рукописів, 25 авторських свідоцтв та патентів. Основний зміст дисертації опубліковано у 19 друкованій роботі. З них 10 (у тому числі 2 монографії) написані без співавторів.

Структура дисертації. Дисертація включає вступ, вісім розділів, висновки, 171 рисунок на 60 стор., 19 таблиць на 10 стор., два додатки на 16 стор., список використаних джерел з 292 найменувань на 25 стор. Повний обсяг дисертації - 387 стор.

ОсНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У ВСТУПІ показано актуальність тематики, обгрунтовано вибір об'єкту та предмету досліджень, подано загальну характеристику роботи.

РОЗДІЛ 1. ОГЛЯД дослІджень фрикцІЙноЇ взаЄмодІЇ колІС залІзниЧного РУХОМОго складу з реЙКАМИ. мета та ЗаВДАННЯ ДоСЛІДЖЕНЬ. Взаємодія рухомого складу та колії пов'язана з трьома функціями колісних пар: спирання, спрямування та тяги, що накладають зв'язки на відносні переміщування екіпажу та шляху.

Історично конструкція колісних пар є причиною специфічних динамічних процесів, часто характерних тільки для рейкового транспорту. Головна їх особливість полягає у взаємному впливі коліс і колісних пар одне на одне через вісі, раму та рейковий шлях і нерівномірному розподілі крутячого моменту між колесами колісної пари.

Внаслідок цього, спостерігається циркуляція силових потоків у замкнутих силових контурах елементів ходової частини, приводу, колісними парами та рейко-шпальною решіткою. Циркуляційні потоки, зв'язані із функцією спрямування колісних пар, як правило, є причиною додаткових механічних втрат та підвищення опору руху. Складову опору руху, пов'язану з фрикційною взаємодією коліс із рейками, автор назвав кінематичним опором. Дві частини проблеми фрикційної взаємодії рейкових екіпажів та колії - зчеплення коліс з рейками та горизонтальний вплив екіпажів на колію - тісно пов'язані з проблемою опору руху.

Починаючи із перших досліджень опору руху, майже всі вони були експериментальними і провадилися з метою одержання формул для тягових розрахунків. Вже при перших дослідах, проведених В.І.Лопушинським, було визначено вплив на опір руху "шкідливих (паразитних) рухів вагонів". Очевидно, це можна вважати першою згадкою про кінематичний опір руху екіпажів. Великий внесок у дослідження опору руху, у свій час, зробили вчені: П.М.Астахов, О.М.Баранов, О.В. Бичковський, П.М. Гурський, М.О.Данаєв, О.І.Долiнжев, Девiс, Г.Н.Лебедєв, Ю.В.Ломоносов, В.П.Любімов, М.П.Петров, П.П.Стромський, Нокон, Нордман, Тутхiлл, Е.К.Шмiдт.

Аналіз структури опору руху екіпажів показує, що воно залежить від чинників, значну частину яких зараз важко змінити. Передусім, це стан рейкового шляху, який вимагає великих капітальних витрат на його підтримку та ремонт. Також немає можливості істотно зменшити опір руху за рахунок параметрів контактування колеса із рейкою. Напроти, при існуючій тенденції збільшення діаметру коліс і підвищення осьових навантажень слід очікувати збільшення опору коченню. Великий резерв зниження опору - заміну на рухомому складі буксових підшипників ковзання на підшипники кочення - вже використано. Найбільш перспективним автор вважає зниження кінематичного опору руху. У рамках цього напрямку необхідні комплексні дослідження фрикційної взаємодії екіпажів і шляху та пошук на їх основі нових технічних рішень конструктивного виконання ходових частин, що дозволяють поліпшити характеристики фрикційної взаємодії рухомого складу та шляху. Це, насамперед, стосується досліджень горизонтальних спрямовуючих зусиль у контактах колісних пар з рейками.

Найбільш значні досягнення у галузі горизонтальної взаємодії екіпажів та шляху пов'язані з дослідженнями С.М.Андрiєвського, О.І.Блейхера, Г.І.Богомаза, М.Ф.Верiго, С.В.Вершинського, О.М.Годицького-Цвiрко, О.Л.Голубенка, Л.О.Грачьової, Є.Т.Григор'єва, В.М.Данилова, В.Д.Дановича, Ю.В.Дьоміна, Л.К.Добринiна, Ю.І.Дофмана, О.К.Дюніна, А.С.Євстратова, В.В.Євенка, О.П.Єршкова, В.М.Іванова, А.А.Камаєва, Д.Е.Кармiнського, В.М.Кашнікова, Н.О.Ковальова, О.Я.Когана, О.І.Кокорєва, О.М.Коняєва, К.П.Корольова, М.Л.Коротенка, О.І.Кравченка, С.С.Крепкогорського, С.М.Куценка, В.А.Лазаряна, Д.М.Лебедева, А.А.Львова, В.Б.Меделя, Л.П.Мелентьєва, В.В.Монича, Т.Мюллера, Н.Г.Нечаєва, Є.О.Ольшевського, В.М.Панського, М.П.Пахомова, М.О.Радченка, С.Ф.Редька, Л.М.Рєзнікова, Ю.С.Ромена, О.Є.Руссо, А.В.Смолянського, Т.О.Тибiлова, В.Ф.Ушкалова, Х.Хеймана, О.А.Холодецкого, К.Ю.Цеглiнського, І.І.Челнокова та ін.

Певний вплив на характер взаємодії коліс із рейками має форма їх поверхонь кочення. Просторовий розподіл контактних зусиль та швидкостей ковзання призводить до появи диференційних проковзувань у контактах та диференційного опору руху. Особливо вони появляються при двоточковому контактуванні, тим більше, коли один із контактів гребеневий. Аналізуючи праці А.Пальмгрена і Г.Хiткоута, автор робить висновок про необхідність проведення експериментальних досліджень диференційного опору руху при двоточковому гребеневому контактуванні на натурних стендових установках та розробки методики моделювання двоточкового контакту колеса з рейкою.

Чималу частину опору руху, особливо у кривих дільницях шляху, складає додатковий опір, викликаний груповою взаємодією коліс із рейками, який автор називає циркуляційним опором руху. Його рівень залежить від розподілу ковзань у контактах, на який впливають як режим руху, так і конструктивні параметри екіпажу. Диференційний і циркуляційний опір є складовими кінематичного опору руху. Відповідно до діючої класифікації кінематичний опір руху має ознаки, як основного, так і додаткового опору. Кінематичний опір разом з опором, що пов'язаний із наявністю у контактах коліс із рейками так званого "третього тіла", складають шляховий (колійний) фрикційній опір руху.

Досліджень, присвячених опрацюванню принципів проектування екіпажів з низьким опором руху на основі більш раціонального розподілу кінематичного проковзування у контактах коліс із рейками досі не було. На підставі огляду стану проблеми сформульовано мету та завдання дисертації.

РОЗДІЛ 2. ДоСЛІДЖЕННЯ ГеОМЕТРИЧНИХ Параметрів ВзАЄМОДІЇ РЕЙКОВИХ ЕКІПАЖІВ ТА ШЛЯХУ. Необхідність визначення залежностей положення точок контактів від поперечного зміщення колісної пари, щодо шляху, пов'язана, насамперед, з властивостями двоточкового контактування та додатковим опором руху від тертя гребеня по рейці. Розглянуті 30 варіантів комбінацій стандартних і дослідних профілів коліс та рейок. Результати розрахунків показують, що практично для всіх варіантів існують положення двоточкового гребеневого контактування. Двоточковий контакт представлено як статично-невизначену систему з показником невизначеності 1.

Задача про розподіл навантаження між контактами вирішувалася з урахуванням контактних зближень. Розглядалися дві групи параметрів: для першого контакту (I) і для другого контакту (II).

Два контакти існують одночасно на деякій перехідній ділянці, для якої: P₀ > P_I > 0; 0 < P_II < P₀ , причому, P_I + P_II = P₀ . Прийнято припущення про лінійність закону зміни вертикальних навантажень P_I , P_II у межах перехідної ділянки :

; ,

де dy , dy_I , dy_II - відносні зміщення колеса і рейки, відповідно - поточне, на вході і на виході із стану двоточкового контактування.

Зміщення гребеневого контакту залежно від кута набігання у поперечному напрямку не перевищує 0,5...0,8 мм і його можна не враховувати. Зміна випередження дотику (b_y) і збільшення радіуса колеса (DR_y) більш суттєві і можуть бути описані виразами:

; ,

де g - ухил гребеневого конусу.

Вертикальні переміщення точок контактів при переході із стану відповідно у стан можуть бути визначені з виразів:

; ,

де DR_I, DR_II - збільшення радіусів у I і II контактах на поперечному переміщенні колеса dy; z_I, z_II - вертикальні складові зближень D_I і D_II; g_I, g_II - ухили у I і II контактах. Довжина перехідної ділянки, на якій існує двоточковий контакт може бути визначена з формули:

.

Отримані розрахункові залежності для радіусів коліс у точках контакту - R = r(dy), ухилів - g = g(dy) і координат точок контакту y_tk(dy) у системі координат колеса. Ці функції використовувалися у математичних моделях для опису контактних сил.

Запропонована автором методика моделювання контактних дотичних сил взаємодії коліс із рейками дозволяє більш точно, у порівнянні з відомими, описати параметри зчеплення з урахуванням особливостей двоточкового контактування коліс і рейок.

РОЗДІЛ 3. Методика ТеОРЕТИЧНИХ ДоСЛІДЖЕНЬ Кінематичного ОпОРУ РуХУ РеЙКових ЕкІПАЖІВ. Циркуляція потужності в замкнутих контурах характерна для багатопоточних динамічних систем. Найбільш наочно проявляється циркуляція силових струмів у замкнутих контурах ходових частин рейкового транспорту. Контакт кожного колеса із рейкою може мати два стани - одноточковий та двоточковий. При двоточковому контактуванні дільниці поверхонь колеса і рейки між центрами плям контактів утворюють замкнуті силові контури. У межах контактних контурів виникають циркуляційні силові потоки, накладені на основний потік силової передачі "колесо - рейка". Силові ланцюги "колесо - вісь - колесо - рейка - шпала - рейка - колесо" утворюють осьові контури. Міжосьовий контур, утворюється силовим ланцюгом "колісна пара - рейковий шлях - колісна пара - рама візка - колісна пара".

В основу методики моделювання кінематичного опору руху покладена теорія замкнутих силових контурів. Силовий контур - кінематичний ланцюг, ланки якого передають замкнутий силовий потік.

Перетворення механічної енергії у будь-якій передачі може бути представлено схематично у вигляді силового потоку з розділенням чи злиттям у вузлових точках. Силові струми розподіляються на зв'язувальні (f), акумулюючі (а) та розсіюючі (d).

Зв'язувальним силовим потоком називається потік, що з'єднує вузлові точки. Інтенсивність зв'язувального потоку дорівнює потужності, що передається через елемент:

f_i = F_i V_i , або f_i = М_і w _i.

Акумулюючі потоки пов'язані із наявністю у кінематичному ланцюзі пружних елементів.

Розсiюючий потік виникає при наявності у вузловій крапці демпфера.

З урахуванням циркуляційних струмів потужності через рейкову колію силовий потік колісної пари є замкнутим і утворює, як мінімум, один замкнутий контур, а при двоточковому контактуванні одного з коліс - два замкнутих контури

Силові контури мають такі властивості:

- сума силових струмів вузлової точки дорівнює нулю;

- сума вхідного, вихідного, акумулюючих і розсіюючих силових струмів дорівнює нулю:

;

- сумарні силові потоки дорівнюють сумам складових по відповідних координатах:

;

;

У замкнутих контурах можливо виникнення циркуляційних потоків з рівнем потужності, незалежним від потужності приводу. До певних визначених меж, зниження жорсткості контуру дозволяє зменшити рівень циркуляції потужності. Однак, при стаціонарних режимах роботи передачі обмеження контурних потоків може бути досягнуте тільки за допомогою розв'язувальних вузлових точок.

Розв'язувальні точки у приводах або передбачаються конструктивно з метою обмеження внутрішніх сил в передачі (конструктивні розв'язувальні точки), або виникають у зв'язку з функціями системи (функціональні розв'язувальні точки). Обмежувальні розв'язувальні точки характеризуються порогом спрацювання - граничним силовим потоком, при досягненні якого звичайна вузлова точка перетворюється у розв'язувальну. Будь-яка з обмежувальних точок, як правило, пов'язана з механічними втратами і розсіюванням енергії. Рівень і характеристика втрат у замкнутих контурах залежать від типу розв'язувальних точок. У загальному випадку розсіювальний потік визначається як потужність сил тертя:

cos().

Коефіцієнт корисної дії передачі, що має замкнуті силові контури, може бути визначений із формули:

,

де f - вхідний силовий потік передач; d_i - розсіювальні потоки контурів.

Головний вектор сил взаємодії в окремому контакті колеса з рейкою має таку структуру:

,

де - вектори вертикальних і гравітаційних реакцій складових нормальних реакцій ; - сили зчеплення у контактах коліс з рейками у подовжньому і поперечному напрямках; i - номер контакту для загального випадку двоточкового контактування: i = I, II. У разі, якщо вертикальне навантаження прийняте постійним, значення гравітаційних сил можуть бути визначені тільки залежно від ухилів у точках контакту:

,

де g_ij - умовні ухили профілів у точках контакту.

Сили зчеплення у системах координат коліс Х_jOY_j визначаться залежно від ковзань та нормальних навантажень у контактах:



де y₀ - граничний коефіцієнт зчеплення; , - характеристики зчеплення у подовжньому та поперечному напрямках; N_ij - нормальні навантаження у контактах. Проекції дотичних сил у системах координат коліс та системі координат шляху ХОY:

Визначення кінематичного опору руху засновано на рівності суми робіт контактних сил на можливих переміщеннях і роботи сумарної сили опору. Поточне значення приведеного відносного опору руху може бути визначене з виразу:

,

де F_i - контактні сили; V_i - абсолютні швидкості точок прикладення відповідних сил F_i ; V_цт - абсолютна швидкість руху центра мас екіпажу; Q - вага екіпажу.

Враховуючи структуру контактних сил та використовуючи одержані для них вирази, сума міцностей контактних сил може бути представлена у вигляді:



Приведена у даному розділі методика моделювання кінематичного опору руху була використана для побудови математичних моделей взаємодії рейкових екіпажів та колії.

РОЗДІЛ 4. ЕкСПЕРИМЕНТАЛЬНІ Та ТеОРЕТИЧНІ ДоСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЗЧЕПЛЕННЯ І ОпОРУ КОЧЕННЮ У СиСТЕМІ "КоЛЕСО-реЙКА". Метою проведення експериментальних досліджень є уточнення характеристик зчеплення та характеристик опору руху у системі "колесо-рейка", зокрема для випадку двоточкового контактування. Експерименти здійснювалися на стендових установках, створених за участю автора на кафедрі "Залізничний транспорт" Східноукраїнського державного університету. кочення кінематичний рейковий колесо

При розробці стендової установки для дослідження зчеплення колеса з рейкою авторові вдалося у лабораторних умовах здійснити практично повну імітацію фізичних процесів, що супроводжують режим тяги в експлуатації. Установка являє собою передачу тертям "колесо-рейка" з перетворенням обертального руху колеса в поступовий рух рейки, встановленої на направляючих валках. Характеристики зчеплення були прийняті у формі залежностей: К_х(e_х,e_у), К_у(e_х,e_у), де К_х, К_у, e_х, e_у - відповідно, коефіцієнти використання зчеплення та відносні ковзання у подовжньому та поперечному напрямках. У процесі виконання експериментів використовувалися декілька розроблених автором засобів виміру та реєстрації ковзань у контакті колеса із рейкою: телеелектронний засіб "контрастних точок"; засіб, заснований на ефекті Доплера; засіб магнітного запису; стробоскопічний засіб.

Для дослідження деяких характеристик опору руху була використана валкова станція з натурним двовісним візком, встановленим на дві пари валків. Конструкція стенду дозволяє моделювати різноманітні режими управління звивистим рухом зі швидкостями до 50 м/с за рахунок примусового повороту колісних пар візка для жорсткої колісної пари і для колісної пари з роздільним обертанням коліс. Стенд обладнаний вимірювальними засобами для реєстрації кута набігання колеса на рейку-каток; рамних сил; подовжнього та поперечного ковзань у контактах.

Залежність опору кочення від кута набігання, фізичного коефіцієнта зчеплення та поперечного переміщення колісної пари оцінювалася відносним енергетичним засобом порівняння потужності приводу по відношенню до базового режиму руху. На рис.3 наведені експериментальні залежності між опором коченню колісної пари (w_к) і поперечним коефіцієнтом використання зчеплення (К_у) при поперечному зміщенні відносно осі колії (D_у) 2,5 мм. На обох стендових установках проведені дослідження залежності опору руху від густини слою та параметрів кварцового піску у контакті колеса з рейкою. За результатами експериментів наявність в контакті піску може підвищити опір коченню на 5...8 %.

РОЗДІЛ 5. МаТЕМАТИЧНІ МоДЕЛІ СЕрІйних ЕкІПАЖІВ ДЛЯ ДоСЛІДЖЕННЯ ШлЯХОВОГО ФрикцІйного ОпОРУ РуХУ. У наданому розділі обрані розрахункові схеми та побудовані математичні моделі серійних одиниць рухомого складу різноманітних типів з урахуванням властивостей кінематики і динаміки фрикційної взаємодії коліс з рейками. Моделі, призначені для досліджень в часовій області, мають форму рівнянь Лагранжа другого роду: , де М - інерційна; В - дисипативна; Ж - жорсткістна матриці; , - вектори узагальнених сил і координат. Побудовано математичні моделі для наступних екіпажів: рамні локомотиви - ФД, Е, Е^ел; локомотиви із зчленованими візками - ВЛ19, ВЛ22^м, ВЛ23, ВЛ8, ЧС-2, Re 6/6; локомотиви із трьохвісними візками - ТЕ3, ТЕМ2, М62, ТЕ10М, ТЕ116, ТЕ120, ТЕ114, ТЕ121, ТЕП60, ТЕП75, Ф, СС7100, ВЛ60; локомотиви із двовісними візками - ВЛ80, ВЛ85, ТЕ136, ТЕ126; дизель-поїзд ДР1; електро-поїзди серій ЕР, РТ, ТGV, BD4, RBDe4; вагони з візками КВЗ-ЦНДІ; європейські вагони з візками Мінден-Дейтц і R28; вагони із візками 18-100 (ЦНДІ-Х3-О), 18-101, 18-102, Y25С; трамваї E₆, C₆, Tram2000, CLRV, Bt, Be8/8, КТМ-5-МЗ, ЛТ10.

РОЗДІЛ 6. ТеОРЕТИЧНІ ДоСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОпОРУ РуХУ РеЙКОВОго РУХОМОГО СкЛАДУ. Результати інтегрування систем рівнянь руху екіпажів показали, що кінематичний опір руху може досягати чималих величин, особливо у кривих малого радіусу. Досі цей вид опору руху частково враховувався правилами тяглових розрахунків (ПТР), як додатковий опір від кривих спрощеними емпіричними формулами, які не відбивають впливу конструктивних параметрів конкретних типів рухомого складу.

Розрахунки було зроблено для магістрального рухомого складу у прямих дільницях шляху та кривих радіусом 100...2000 м з піднесенням зовнішньої рейки на 40...160 мм, і для трамваїв - у кривих 20...200 м з піднесенням - 15...40 мм. Для порівняння характеристик були прийняті оціночні режими руху.

По результатам розрахунків найбільший опір мають рамні екіпажі.

Найгірші показники серед розглянутих варіантів - Е^М (w_кmax= 4,79 Н/кН), найкращі - у Е^ЕЛ (w_кmax=4,08 Н/кН). Екіпажі Фд і Балдвiна-Беньо займають проміжне місце. Рівень опору руху більшості візкових електровозів приблизно у два рази нижчий, ніж у рамних локомотивів. Однозначно визначити відносні показники опору руху по типам електровозів важко, зважаючи на їх залежність від режиму руху. Винятком можна вважати електровоз Re2/2, опір якого на усіх режимах найменший (w_кmax=1,56 Н/кН). Найбільший кінематичний опір на більшості режимів - у електровоза ВЛ85 (w_кmax=2,1 Н/кН).

Середній рівень кінематичного опору у кривих більшості тепловозів на 20...25 % вищий, ніж для електровозів і коливається від 0,76 Н/кН (ТЕМ7) до 2,62 Н/кН (ТЕ3).

Рівень кінематичного опору електро- і дизель-поїздів, у порівнянні з локомотивами, невисокий. На швидкості 20...30 м/с знаходиться у межах від 1,11 Н/кН (Bd4) до 1,42 Н/кН (Др2). На швидкості більше 40 м/с опір руху значно зростає. Характеристики кінематичного опору руху пасажирських вагонів і електро-поїздів схожі, хоча по рівню опір пасажирських вагонів, у середньому, на 5...10 % менший. Для трамваїв характерними є режими руху у кривих малого радіусу, інколи до 20...25 м. Більшість ліній трамвайних колій, особливо в історичних районах великих міст, на 20...30 % складаються із таких кривих. Рух трамваїв у кривих супроводжується інтенсивними фрикційними автоколиваннями, зовнішнім проявом яких є характерний вереск коліс. Найбільші значення опору виявилися у трамвая Ктм-5-м3 (9,41 Н/кН для кривої 100 м; 14,3 для 50; 23,3 для 30). Трамваї Be 8/8 і Лт10 за значеннями опору входять у середню групу (відповідно 7,96 і 7,67; 12,0 і 12,2; 19,3 і 19,7 Н/кН). Мінімальний рівень кінематичного опору у трамваїв фірми "Шкода" (6,11; 9,31; 15,1 Н/кН). На рис.6 показані характеристики кінематичного опору трамваїв КТМ-5-М3 та ЛТ10.

Характеристики кінематичного опору розглянутих у роботі вантажних вагонів розрізняються у залежності від типу не більше ніж на 10...15 %. Найкращі показники у вагона із візками R25C (0,45 Н/кН при 10 м/с; 0,44 при 20; 0,98 при 30). Найбільший опір характерний для вагонів із візками 18-101 (0,62; 0,57; 1,15 Н/кН).

Кінематичний опір руху екіпажів при русі у прямих дільницях колії є незначним і складає 3...8 % від основного опору руху. На прикладі чотирьохвісного вагону досліджено вплив на опір руху параметрів екіпажів і колії. Одержано, що криві кутів набігання мають виражений мінімум, відповідний базі візків 3,0...5,0 м.

Призазорі у рейковій колії понад 30 мм і базі меншій за 3,0 м кути набігання досягають чималих величин (0,017...0,025 рад), причому мало залежать від радіуса кривої. Збільшення зазору в колії від 20 до 80 мм призводить до підвищення опору в кривій на 25 %.

Дослідження руху екіпажів з різноманітними профілями коліс показали чималий вплив їх форми на кінематику і динаміку фрикційної взаємодії екіпажів і колії. Важко однозначно відповісти на питання, що саме виявляє вирішальний вплив на показники цієї взаємодії - форма поверхонь кочення колеса чи форма гребеня, проте профілям із гребеневим конусом 70⁰ відповідають більш високі (на 25...40 %) значення кінематичного опору руху, ніж профілям із гребеневим конусом 60⁰. Розподіл показників кінематичного опору по профілям коліс при русі у прямих дещо інший. Найкращі показники мають профілі: SC(Франція) (0,39 Н/кН); А(Японія), Бєльці(СНД) (0,41 Н/кН); R2(Англія), К (Франція), МСЖД (0,42 Н/кН). Найбільший кінематичний опір руху створює стандартний профіль Швейцарії (0,68 Н/кН).

Дослідження впливу параметрів подовжнього зв'язку колісних пар з рамою візка на показники опору руху у діапазоні подовжньої жорсткості буксових повідків Ж_бх = 1,00...20,0 кН/мм показало, що для швидкості вище за 15 м/с підвищення жорсткості понад 5,0 кН/мм практично не впливає на показники опору, особливо у кривих малого радіусу. У межах від 5,0 до 1,0 кН/мм спостерігається його підвищення у 1,5...1,7 рази.

Проте оптимальне значення жорсткості подовжнього зв'язку в буксових вузлах назвати важко, тому що на положення мінімуму кінематичного опору впливає режим руху. Для рівноважних режимів руху найкращі показники опору руху мають місце при Ж_бх=4,2...7,5 кН/мм.

Для визначення збігу результатів теоретичних досліджень із даними експлуатації по основному критерію достовірності - кінематичному опору руху - були використані результати експериментів, описані у РОЗДІЛІ 4, та експериментальні дані, приведені у опублікованих працях.

РОЗДІЛ 7. ДоСЛІДЖЕННЯ ПоПЕРЕЧНОЇ КЕРОВАНОСТІ РеЙКОвих ЕкІПАЖІВ. Поняття керованості широко використовується у теорії руху транспортних машин. Керованість - властивість транспортного засобу підлягати керуючому впливу. При наявності органів управління керованість визначається, як реакція машини у вигляді зміни рейкових, курсових або поперечних кінематичних параметрів на керуючий вплив з боку органу управління. Зміна траєкторії руху (спрямування) залізничних екіпажів, як відомо, здійснюється рейковою колією завдяки горизонтальним рейковим реакціям. Дослідження характеристик керованості рейкових транспортних засобів у тому вигляді, як вона розглядається у теорії руху колісних машин, є тривіальною задачею, бо має місце управління по жорсткій програмі і його результат, у межах зазорів рейкової колії та деформацій рейкових ниток, заздалегідь відомий.

Якісні показники керованості рейкових екіпажів пов'язані з додатковим впливом на екіпаж з боку колії, як органу управління, і на колію у вигляді силових реакцій екіпажу на керуючий вплив, пов'язаних з процесом управління. До таких показників слід віднести горизонтальний вплив на колію і додатковий опір руху, пов'язаний з управлінням.

Керуючий вплив у вигляді контактних бокових зусиль зрівноважує силові чинники екіпажу, що перешкоджають вписуванню у криву. Діючі у системі "екіпаж - колія" силові чинники, по відношенню до процесу вписування, можна поділити на направляючі чинники та чинники опору.

Прикметою направляючого чинника є позитивний напрям моменту, який він створює відносно напряму вписування, чинника опору - від'ємний напрям моменту.

Розглянуто силові чинники, діючі на колісні пари, за їх походженням: подовжні (F_cцI(ijk)x, F_cцII(ijk)x) та поперечні (F_cцI(ijk)y, F_cцII(ijk)y) складові сил зчеплення; гравітаційні складові нормальних реакцій (F_cкI(ijk), F_cкII(ijk)); подовжні та поперечні буксові реакції (F_б(ijk)x, F_б(jk)y). Головні вектори поперечних сил колісних пар у абсолютній системі координат Xoy :

;

де: ;

;

;

;

y_(jk)= y_r(jk)+.

Головні моменти колісних пар від зовнішніх сил:

;

.

У рівняннях: y_(jk), y_т(k) - кути повороту відповідно колісної пари і візка в абсолютній системі координат Хоy; y_r(jk) - кутове положення радіальної прямої, що проходить через центр ваги колісної пари; - - кут набігання колісної пари на рейки; 2А_I(i), 2A_II(i) - відстані від центру колісної пари до відповідних точок контактів; 2В - відстань між буксовими вузлами колісної пари.

Рівняння рівноваги N-вісних візків:

;

.

Рівняння рівноваги кузову L-візкового екіпажу:

; .

Силові чинники не можуть бути однозначно віднесені до направляючих чинників, чи чинників опору. Конкретні значення і напрямок сил і моментів залежать від розміщення колісних пар у рейковій колії. Проаналізовано значущість кожного з чинників, щодо спрямування екіпажу рейковим шляхом.

Направляючий момент подовжніх складових сил зчеплення, діючий на колісну пару, буде максимальним при максимальному боковому зміщенні колісної пари щодо осі шляху. Відносні подовжні ковзання у контактах:

; ,

де 2s - ширина колії; - радіус кривої колії; R₀ , R_I(ijk) , R_II(ijk) - відповідно, середній радіус кочення колеса і радіуси у I та II контактах.

Максимальні контактні ковзання коліс з ефективним ухилом до 1:20, при русі без дотику гребеня, досягають не більш 0,1 %, та у кривих радіусом менш за 1000 м цей чинник стає опором.

Таким чином, подовжні складові сил зчеплення, як силовий чинник вписування у криву, не відіграє практично ніякої ролі, тому що направляючі моменти і моменти опору мають рівень не більш 8 % від граничного моменту зчеплення.

Поперечні ковзання залежать від кутів набігання y`.

Залежно від установки колісної пари максимальні, середні та мінімальні значення визначаються по формулах:

; ; .

Поперечні складові сил зчеплення можуть виконувати роль направляючого чинника практично тільки при установці візків із перекосом при набіганні першої колісної пари на внутрішню рейку. При інших установках цей чинник є опором. Рівень моментів опору високий, бо поперечні ковзання перебільшують критичні та закритичні значення. Крім того, характеристика залежності моменту опору від кута набігання, а саме збільшення моменту опору при збільшенні кута набігання, є негативною. Особливо яскраво це проявляється при використанні направляючих колісних пар, встановлених на водилі попереду візка (тепловоз 2те126).

Гравітаційні складові контактних реакцій при поперечному зміщенні колісної пари до моменту дотику гребеня до головки рейки практично не впливає на процес вписування. При гребеневому дотику направляюча роль гравітаційних сил може бути дуже великою, залежно від перерозподілу нормальних навантажень між I і II контактами двоточкового контакту колеса з рейкою. Так, гравітаційна гребенева сила при навантаженні на колесо 115 кН може досягати для гребеневого конуса g = 60^о - 196 кН, а для g = 70^о - 325 кН.

Для одержання кількісних характеристик вписування було використано модель з параметрами електровоза Вл80. На рис.7 показана залежність положення рівноваги візків від радіусу кривої та обмеження з умов зходу з рейок у вигляді блокуючого контуру. Розрахунки показують, що для будь-якого радіусу кривої візки встановлюються із від'ємним перекосом. У кривих радіусом більш за 780 м можливо кінематичне вписування. При радіусах кривих у межах 780...260 м має місце однобічний гребеневий дотик, а саме, першої колісної пари о зовнішню рейку. У кривих радіусом менш за 260 м - двобічний: першої колісної пари о зовнішню рейку, другої колісної пари о внутрішню. Одночасне набігання передньої колісної пари на зовнішню рейку, а задньої - на внутрішню, т.т. повний перекос, можливий при кривизні колії, менше за критичну (точка 7). Інші колісні пари рухаються без дотику гребенів з рейками і спрямовуються рамою візка.

Подовжні і поперечні ковзання, як набігаючих, так і вільних колісних пар, викликають опір руху, що переборюється спрямовуючими зусиллями.

Підхід до спрямування екіпажів рейковою колією, як процесу управління з боку шляху, дозволив розробити методику оцінки керованості рейкових екіпажів за показниками вписування. До таких показників відносяться боковий вплив на шлях та кінематичний опір руху.

Взаємозв'язок кінематичного опору руху і бокового горизонтального впливу на шлях непрямим чином описується рівнянням:

де F_{ск ijk} - спрямовуючи сили взаємодії гребенів коліс із рейками; = - бокові сили взаємодії коліс із рейками; - рамні сили - повні поперечні сили взаємодії колісних пар з рейковим шляхом.

На прикладі екіпажів Вл80 та Те116 зроблено аналіз цього взаємозв'язку при русі у кривих ділянках колії. Аналізуючи залежності максимальних рамних і спрямовуючих сил і кінематичного опору руху від радіусу кривої та швидкості руху, шляхом виключення параметрів V і r, були одержані залежності, що ілюструють взаємозв'язок рамних і спрямовуючих сил і кінематичного опору руху. Одержані дані показують, що збільшення гребеневих спрямовуючих і рамних сил призводить до практично пропорційного підвищення кінематичного опору руху. Кращу керованість, таким чином, мають екіпажі з меншим рівнем кінематичного опору руху в кривій. Запропонована методика дозволяє використовувати кінематичний опір руху, як інтегральний критерій якості управління вписуванням.

РОЗДІЛ 8. ПеРСПЕКТИВИ РоЗВИТКУ КоНСТРУКЦІЙ ХоДОВИХ ЧАСТИН РеЙКОвого РУХОМого СкЛАДУ з ТОЧки зОРУ ОпОРУ РуХУ. У деяких межах поліпшення характеристик опору руху у кривих і прямих ділянках колії можна досягти оптимізацією параметрів традиційних конструкцій екіпажу. Ці проблеми розглянуті у численних дослідницьких роботах і дають певні результати. У даному розділі проаналізовано декілька напрямків радикальної зміни конструкції рейкових екіпажів. Головним джерелом кінематичного опору руху екіпажів є циркуляційні силові потоки у замкнутих контурах ходових частин. Зниження опору руху екіпажів пов'язане із зменшенням рівня циркуляції у силових контурах та усуненням замкнутих контурів.

Зниження рівня циркуляції в контактних контурах можливе, наприклад, за рахунок зменшення коефіцієнту тертя у контактах і горизонтальних навантажень на гребеневі контакти. Перша задача вирішується за рахунок застосування гребеневих або рейкових лубрикаторів. У відношенні до другої, певних результатів можна добитися раціональним вибором профілів поверхонь кочення коліс, оптимізацією параметрів ходової частини і колії. Але це ефективно тільки у прямих і кривих великого радіусу. Для магістральних ділянок колії радіусом менш ніж 500 м, а також для міського рейкового транспорту, необхідні радикальні конструктивні вирішення щодо ходової частини, які дозволять значно зменшити направляючі сили.

Направляючі візки та колісні пари із самого початку застосовувалися, як засіб зниження горизонтального впливу на колію. Автором досліджено декілька конструктивних варіантів візків, що використовувалися, як правило, з багатовісною рамною ходовою частиною: Бiсселя, Буссе, Адамса, Гельмгольца, Клейнова, Еккардта, Лоттера, Балдвiна-Беньо та ходова частина тепловозу 2те126. Узагальнюючи результати проведених досліджень, можна зробити висновок, що вони не мають помітних привілей перед іншими екіпажами у відношенні якісних показників керованості. Більш того, у ряді випадків, їх кінематичний опір виявляється у 2...2,5 рази вищим, ніж у аналогічних варіантів візків без направляючих колісних пар.

Аналіз розрахункових характеристик вписування візків з радіальною установкою колісних пар говорить про високу ефективність цього рішення у відношенні кутів набігання коліс на рейки. Хоча у кривих середнього та малого радіусу цей засіб у поєднанні із звичайними колісними парами практично не дає зниження опору руху у порівнянні з традиційною конструкцією візків, бо зменшує циркуляційні втрати тільки у контактних контурах. Напроти, у контурах "колісна пара - рейковий шлях" циркуляційні потоки зростають, через намагання візків до центральної установки. Тому застосування поворотних у плані колісних пар з радіальною установкою у рейковій колії без додаткових удосконалень є малоефективним засобом зниження опору руху у кривих середнього і малого радіусу.

Найбільш ефективним засобом виключення замкнутих силових контурів у приводі є уведення в кінематичні ланцюги розв'язувальних вузлових точок. В останнє десятиріччя спостерігається певна активність дослідників у напрямку конструктивної модернізації традиційної колісної пари. Однією із таких конструктивних реалізацій є застосування колісних пар з розподілом обертання коліс. При цьому чимале ускладнення конструкції колісної пари виправдовується якісними поліпшеннями кінематики і динаміки взаємодії коліс із рейками. По результатах випробувань, екіпажів амплітуди поперечних коливань вихляння зменшуються на 60...80 %; боковий вплив на колію знижується у прямих на 45...55 %, а у кривих - на 15...20 %; опір руху і видаток електроенергії у кривих ділянках колії знижуються на 10...15 %; при русі у прямих, як правило, цілком відсутні вихляння, але спостерігається тенденція до постійного дотику гребенів однієї із сторін до рейки, хоч контактні навантаження, при цьому, звичайно, невеликі; втрати стійкості руху не спостерігаються в широкому діапазоні швидкостей.

Автором досліджені характеристики кінематичного опору руху чотирьох варіантів екіпажів із розподіленим обертанням коліс: тепловоза Те121, дизель-поїзда Др1, електровоза Вл85 і трамвая Лт10. Характерним для всіх випадків, що досліджувалися, є те, що кінематичний опір екіпажів з вільним обертанням коліс у кривих радіусом більш 900 м на 10...15 % вищій, а у кривих радіусом менш 500 м на 20...50 % нижчий, у порівнянні з серійними варіантами. У діапазоні радіусів кривих 600...800 м спостерігається зниження опору на 1...5 %.

До особливого виду конструктивного рішення ходової частини слід віднести, так звані, подовжні колісні пари. На одному з конструктивних варіантів трамваю Лт200, розробленого ХК "Луганськтепловоз", застосовано буксове розміщення тяглових електродвигунів при вільнообертових колесах, причому, є варіанти виконання з індивідуальним і груповим приводом. При груповому приводі коліс на кожній стороні візка утворюються, зв'язані через роздавальні редуктори, подовжні колісні пари.