Розрахунок та прогнозування шляхового фрикційного опору руху рейкових екіпажів

Розрахунки для кривих радіусом 20...100 м показали, що якісні характеристики вписування екіпажа Лт200 мало відрізняються від характеристик для такого ж трамвая з вільнообертовими колесами. Його кінематичний опір став нижче усього на 3...5 %.

Дослідні колісні пари з керованим ковзанням, вперше запропоновано фірмою Мвв (Німеччина). Серед різноманітних конструктивних рішень таких колісних пар загальним є те, що кутовий зв'язок правого і лівого коліс здійснюється диференціальною муфтою.

Розглянуто два засоби управління муфтою: пасивний і активний. При пасивному засобі муфта працює як муфта граничного моменту. Активний засіб припускає управління величиною граничного моменту в процесі руху. Результати, одержані для екіпажів з регульованим зв'язком коліс, залежать як від засобу управління, так і від закону регулювання. При пасивному засобі досягається зниження циркуляційного проковзування на 30...50 %, але кінематичний опір руху стає більш високим, ніж для екіпажів із вільним обертанням коліс. При активному засобі управління в прямих ділянках колії кінематичний опір руху можна знизити на 10...15 %. Як для пасивного, так і для активного засобу регулювання, значення опору руху у кривих ділянках колії займають середнє положення по відношенню до показників базового екіпажу та екіпажу з вільним обертанням коліс.

Зниження жорсткості відносного осьового повороту коліс у пружних колісних парах, крім зменшення сил динамічної взаємодії екіпажу та шляху, зменшує циркуляційні проковзування та кінематичний опір руху у прямих дільницях колії на 5...8 %, проте у кривих дільницях колії зниження опору руху, практично, не спостерігається.

Проведені у даному розділі дослідження дозволили зробити висновок, що найбільш ефективним засобом зниження рівня циркуляції потужності у кінематичних ланцюгах спрямування колісних пар рейковою колією є введення у замкнуті контури розв'язувальних вузлових точок. Залежно від призначення рухомого складу і наступних умов його експлуатації, доцільно розглядати два основних напрямки розвитку конструкцій ходових частин рейкового рухомого складу із зменшеним рівнем опору руху.

Для рухомого складу магістральних залізниць з радіусами 1000 м поліпшення характеристик опору руху можна досягти підбором параметрів ходової частини на базі традиційних конструкцій: вибором раціонального профілю поверхонь кочення коліс; бази візків; характеристик подовжніх і поперечних зв'язків колісних пар з рамою візка. При цьому можна очікувати зниження кінематичного опору руху на 5...15 %.

Для рухомого складу, призначеного для експлуатації у криволінійних ділянках колії з радіусами меншими за 800 м (міський рейковий транспорт, включаючи метрополітен, гірські магістральні дільниці, кар'єрний та промисловий рухомий склад та ін.) більш ефективним є суміщення радіальної установки колісних пар із вільним обертанням коліс. Таке конструктивне рішення дозволяє за рахунок усунення замкнутих силових контурів колісних пар звести до мінімуму рівень циркуляції у контактних контурах і знизити кінематичний опір руху, у порівнянні з традиційними варіантами, на 50...60 %.

ВиСНОВКИ

Представлена автором робота відноситься до одного із пріоритетних напрямків наукових досліджень - ресурсозберігаючі технології і спрямована на зменшення невиробничих втрат енергоносіїв на тягу поїздів. Відповідно до мети роботи був виконаний комплекс теоретичних і експериментальних досліджень кінематики і динаміки фрикційної взаємодії рейкових екіпажів і колії, пов'язаної з опором руху рухомого складу. Основні наукові результати, висновки і практичні рекомендації роботи сформульовані у наступному вигляді.

1. Існуючі методики розрахунку опору руху не відбивають його залежності від конструктивних особливостей ходових частин рухомого складу, що не дає можливості прогнозувати характеристики опору екіпажів на стадії їх проектування. Аналіз структури і компонентів основного і додаткового опору руху рейкових екіпажів дозволив визначити найбільш перспективний напрям його зниження, що полягає у поліпшенні характеристик кінематики і динаміки фрикційної взаємодії колісних пар з рейковою колією.

2. Геометричні характеристики контактування колісних пар і колії, до яких автор відносить залежності координат точок контактів, ефективних ухилів і радіусів поверхонь кочення від відносного положення коліс і рейок є, здебільшого, кусочно-лінійними. Для більшості комбінацій профілів коліс і рейок, як мінімум одне із відносних положень колісної пари і рейки, дає двоточковий контакт. Розроблена математична модель двоточкового контакту, як статично-невизначеної системи спирання, з урахуванням контактної пружності матеріалу і геометрії контактування при лінійному законі розподілу навантажень і ковзань між контактами у зоні "перекладки".

3. Розроблено основні положення теорії замкнутих силових контурів, що базується на гіпотезі про істотну нерівномірність розподілу силових струмів по гілках замкнутих структур кінематичних ланцюгів приводу і спрямування колісних пар. Виявлений зв'язок між структурою кінематичних ланцюгів ходових частин екіпажів і їх опором руху. Показано, що у замкнутих контурах створюються умови для циркуляції силових потоків і зниження коефіцієнту корисної дії багатовісного колісного рушія.

4. Головними джерелами кінематичного опору руху екіпажів є циркуляційні силові потоки в контурах "колісна пара - рейковий шлях" і контактних контурах при двоточковому гребеневому контактуванні коліс із рейками з коефіцієнтами циркуляції, що досягають значень 0,8...0,9. Циркуляційні силові потоки є наслідком невідповідності геометричних і кінематичних параметрів контактування кожного окремого колеса і кінематичних параметрів руху екіпажу у цілому.

5. На основі теорії замкнутих силових контурів і математичної моделі двоточкового контакту із використанням засобу енергетичного балансу розроблена методика розрахунку і прогнозування шляхового (колійного) фрикційного (або кінематичного) опору руху рейкових екіпажів.

6. Одержані в роботі характеристики кінематичного опору руху більшості серійних рейкових екіпажів показують, що залежно від швидкості руху і параметрів шляху, у магістральних кривих воно складає до 20...50 %, а для міського рейкового транспорту в кривих радіусом 20...60 м - до 80 % повного опору руху. При традиційному візковому компонуванні екіпажі з двовісними візками мають кінематичний опір руху на 40...60 % менший, ніж екіпажі із трьохвісними візками.

7. Для коліс з великим кутом ухилу гребеневої частини поверхні кочення характерні більш високі значення опору руху. Зокрема, при куті гребеневого ухилу 70⁰, опір руху чотирьохвісного екіпажу в 1,3...1,6 рази вищий, ніж при куті ухилу 60⁰ .

8. На створеному автором комплексі експериментально-випробувального устаткування вперше одержані експериментальні характеристики зчеплення і кінематичного опору руху у системі "колесо - рейка" при двоточковому контактуванні, які дозволяють пов'язати кінематичні і динамічні параметри контактів коліс із рейками та використовувати їх, як зовнішні функції при математичному моделюванні фрикційної взаємодії екіпажів та шляху.

9. Одержано залежності опору коченню колеса по рейці від параметрів та густини заповнення контактної зони кварцовим піском. Межа механічної міцності на стиск часток піску пропорційна діаметру поперечного перетину частки у ступені 1,35. Опір коченню для часток менших 0,1 мм, практично, не залежить від товщини слою піску і не перевищує 2,0 Н/кН, а для часток діаметром 0,25...0,45 мм зростає із збільшенням слою піску і при товщині 3,3...2,8 мм досягає максимуму - 4,5...5,0 Н/кН.

10. Запроваджено поняття і сформульовано критерій поперечної керованості рейкових екіпажів. Показано, що подовжні та поперечні складові контактних сил зчеплення при русі у кривих у більшості випадків відіграють роль опору, причому залежність моменту опору від куту набігання має від'ємну жорсткість. На основі аналізу взаємозв'язку спрямовуючих сил і опору руху у вигляді інтегрального критерію керованості запропоновано кінематичний опір руху.

11. Запропоновані у роботі засоби дозволяють знизити шляховий фрикційний опір руху екіпажів на 10...60 %, що відповідає зниженню загального опору руху на 8...20 % і економії палива та електроенергії на 6...15 %.

12. Залежно від призначення і умов експлуатації визначені принципи проектування екіпажів із зниженим опором руху:

- у прямих ділянках колії та кривих великого радіусу можливо зниження опору руху до 10 % за рахунок вибору параметрів традиційних конструкцій екіпажів (раціонального профілю поверхонь кочення коліс, бази візка, характеристик подовжніх і поперечних зв'язків колісних пар з рамою візка, тощо);

- більш істотне зниження опору руху - до 20 %, зокрема для кривих малого радіусу, можливе тільки за рахунок введення у силові контури кінематичних ланцюгів екіпажної частини розв'язувальних вузлових точок.

список опублікованих автором праць за темою дисертації

кочення кінематичний рейковий колесо

Ткаченко В.П. Кінематичний опір руху рейкових екіпажів. - Луганськ: СУДУ, 1996. - 200 с.

Ткаченко В.П. Керованість рейкових екіпажів. - Луганськ: СУДУ, 1997. - 98 с.

Ткаченко В.П. Вплив конструктивних схем ходових частин рейкових екіпажів на їх керованість / Брошура. - Луганськ: СУДУ, 1999.- 22с.

Ткаченко В.П. Методика розрахунку шляхового фрикційного опору руху залізничного рухомого складу / Брошура. - Луганськ: СУДУ, 1999.- 16с.

Ткаченко В.П. Характеристики кінематичного опору руху рейкових екіпажів / Брошура. - Луганськ: СУДУ, 1997.- 42с.

Ткаченко В.П., Сапронова С. Ю. Шляховий фрикційний опір руху рейкових екіпажів / Брошура. - Луганськ: СУДУ, 1999.- 18с.

Ткаченко В.П. Аналіз силових чинників спрямування залізничних екіпажів рейковою колією// Вісник Східноукраїнського державного університету. - Луганськ: СУДУ. - 1997.- №2(6). С.198-203.

Ткаченко В.П. Перспективи зниження опору руху рейкового рухомого складу// Експлуатація рухомого складу залізниць. - Харків: ХарДАЗТ. - 1996. - С. 18-22.

Ткаченко В.П. Підвищення ефективності рейкового транспорту за рахунок зниження опору руху рухомого складу // Проблеми розвитку підприємств регіону в умовах ринкової економіки/ Збірка наук. праць. - Луганськ: СУДУ, 1998. С.108-110.

Ткаченко В.П. Керованість рейкових екіпажів // Залізничний транспорт України. - 1998. - №2-3. - С. 37-41.

Голубенко О.Л., Ткаченко В.П., Дєкiн Л.Н. Вплив динамічних збурень у системі "колесо - рейка" на тяглові якості локомотива // Питання динаміки і міцності рухомого складу. - Брянськ: БІТМ. - 1984. - С.52-56.

Голубенко О.Л., Ткаченко В.П., Сапронова С.Ю. Кінематика двоточкового контактування колеса із рейкою // Залізничний транспорт України. - 1999. - №4.- С.13-14.

Ткаченко В.П., Сапронова С.Ю. Геометричні параметри взаємодії колісних пар рейкового рухомого складу та шляху // Вісник Східноукраїнського державного університету. - 1998. - №6(10). - С.163-175.

Ткаченко В.П., Сапронова С.Ю. Опір коченню колеса по рейці при наявності у контакті кварцового піску // Транспорт: зб. наук. пр. Східноукраїнського державного університету. - Луганськ: СУДУ. - 1998. - С.59-66.

А.. с. №1206153, СРСР. МКІ В61 F 5/00. Двовісний візок залізничного транспортного засобу/ Горбунов М.І., Мiхайлов Є.В., Коняєв О.М., Голубенко О.Л., Ткаченко В.П., Крамарь М.М.-№3728393; Заявл.13.04.84; Опубл. 23.01.86, Бюл.№3.

Пат. №2153308, Великобританія. МКІ6 B60b 17/00.Resilient wheel for a railway vehicle/ Golubenko A.L., Turchin V.P., Konyaev A.N., Suhov I.N., Kaljuzhny N.N., Filonov A.S., Pinovsky M.I., Tkachenko V.P., Kramar N.M. №8402159, Заявл.27.06.84; Опубл.30.09.87.

Пат. №4635990, США. МКІ6 B60b 17/00. Resilient wheel of railway car/ Golubenko A.L., Turchin V.P., Коnyaev A.N., Sukhov I.N., Kaljuzhny N.N., Filonov A.S., Тkachenko V.P., Kramar N.M., Koropetz A. P., Pinovsky M.L. №8402159, Заявл.27.06.84; Опубл.30.09.87.

Tkachenko V.P. Vehicle railway vibration influence on the train traction resistance// Vibrations in fhysical systems/ XVIth symposium-Poznan,1994.-P.160.

Golubenko A.L., Tkachenko V.P., Kramar N.M. Wheel structure improvement on the basis of theoretical and experimental investigation of wheel-rail adhesion/ VIII International Wheelset Congress.- Madrid, 1985.- V.11.-S.IV.3.-14p.

АнотаціЯ

Ткаченко В.П. Розрахунок та прогнозування шляхового фрикційного опору руху рейкових екіпажів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.22.07 - рухомий склад залізниць та тяга поїздів. - Східноукраїнських державний університет, Луганськ, 1999.

Дисертація спрямована на зменшення витрат енергоносіїв на тягу поїздів. Виконано комплекс досліджень шляхового (колійного) фрикційного опору руху рухомого складу, обумовленого кінематикою та динамікою фрикційної взаємодії колісних пар і колії. У роботі розвиваються положення теорії замкнутих силових контурів, щодо кінематичних ланцюгів спрямування колісних пар рейковою колією. Запропоновано методику розрахунку та прогнозування шляхового фрикційного опору руху і одержано його характеристики для більшості типів серійного рухомого складу. Одержано експериментальні характеристики зчеплення і кінематичного опору руху в системі "колесо - рейка" при двоточковому контактуванні. Запроваджено поняття та сформульовано критерій поперечної керованості рейкових екіпажів. Визначені принципи проектування екіпажів із пониженим опором руху.

Ключові слова: рейковий екіпаж, опір руху, колісні пари, контакт колеса із рейкою, проковзування, кінематика, динаміка, фрикційна взаємодія, математичне моделювання, числові методи.

АННОТАЦИЯ

Ткаченко В.П. Расчет и прогнозирование путевого фрикционного сопротивления движению рельсовых экипажей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.22.07- подвижной состав железных дорог и тяга поездов.- Восточноукраинский государственный университет, Луганск, 1999.

Диссертация относятся к одному из приоритетных направлений научных исследований - ресурсосберегающие технологии и направлена на уменьшение непроизводительных затрат энергоносителей на тягу поездов. В работе выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований кинематики и динамики фрикционного взаимодействия рельсовых экипажей и пути, связанного с сопротивлением движению подвижного состава.

Существующие методики расчета сопротивления движению рельсовых экипажей не отражают его зависимости от конструктивных особенностей ходовых частей подвижного состава, что не дает возможности прогнозировать характеристики сопротивления движению на стадии проектирования. Анализ структуры и компонентов основного и дополнительного сопротивления движению рельсовых экипажей позволил определить наиболее перспективное направление его снижения, заключающееся в улучшении характеристик кинематики и динамики фрикционного взаимодействия динамической системы колесных пар с рельсовым путем.

Разработана математическая модель двухточечного контакта, как статически неопределимой системы опирания, с учетом контактной упругости материала и геометрии контактировании при линейном законе распределения нагрузок и скольжений между контактами в зоне "перекладки".

Показано, что главными источниками кинематического сопротивления движению экипажей и снижения КПД многоосного колесного движителя являются циркуляционные силовые потоки в контурах "колесная пара- рельсовый путь" и контактных контурах при двухточечном гребневом контактировании колес с рельсами. При этом коэффициенты циркуляции достигают значений 0,85...1,0. Разработаны основные положения теории замкнутых силовых контуров применительно кинематическим цепям привода и направления колесных пар. Обнаружена взаимосвязь между структурой кинематических цепей ходовых частей экипажей и их сопротивлением движению. На основе метода энергетического баланса разработана методика расчета и прогнозирования путевого фрикционного (кинематического) сопротивления движению рельсовых экипажей. Полученные характеристики кинематического сопротивления движению большинства серийных рельсовых экипажей показывают, что в зависимости от скорости движения и параметров пути в магистральных кривых оно составляет до 20...50 % , а для городского рельсового транспорта в кривых радиусом 20...60 м - до 80 % полного сопротивления движению. При традиционной тележечной компоновке экипажи с двухосными тележками или четырехосными на базе двухосных имеют кинематическое сопротивление движению на 40...60 % меньшее, чем экипажи с трехосными тележками. Для колес с большим углом конусности гребневой части поверхности катания характерны более высокие значения сопротивления движению. В частности, при угле гребневого конуса, равном 70⁰, сопротивление движению четырехосного экипажа в 1,3...1,6 раза выше, чем при угле конусности 60⁰. Получены экспериментальные характеристики сцепления и кинематического сопротивления движению в системе "колесо-рельс" при двухточечном контактировании, позволяющие связать кинематические и динамические параметры контактов колес с рельсами. Получены зависимости сопротивления качению колеса по рельсу от параметров и плотности заполнения контактной зоны кварцевым песком.

Введено понятие и сформулированы критерии поперечной управляемости рельсовых экипажей. Показано, что продольные и поперечные составляющие контактных сил сцепления при движении в кривых в большинстве случаев играют роль сопротивления, причем зависимость момента сопротивления от угла набегания носит неустойчивый характер. На основе анализа взаимосвязи направляющих сил и сопротивления движению в качестве интегрального критерия управляемости предложено кинематическое сопротивление движению.

В зависимости от назначения и условий эксплуатации определены принципы проектирования экипажей с пониженным сопротивлением движению. В прямых участках пути и кривых большого радиуса возможно снижение сопротивления движению до 10 % за счет выбора параметров традиционных конструкций экипажей: рационального профиля поверхностей катания колес; базы тележки; характеристик продольных и поперечных связей колесных пар. Более существенное снижение сопротивления движению до 20 %, в частности для кривых малого радиуса, возможно только за счет применения нетрадиционных конструктивных решений путем введения в силовые контуры кинематических цепей экипажной части развязывающих узловых точек.

Предложенные в работе методы позволяют снизить кинематическое сопротивление движению экипажей на 10...60 %, что соответствует снижению общего сопротивления движению на 8...20 % и экономии топлива и электроэнергии на тягу поездов на 6...15 %.

Ключевые слова: рельсовый экипаж, сопротивление движению, колесные пары, контакт колеса с рельсом, проскальзывание, кинематика, динамика, фрикционное взаимодействие, математическое моделирование, численные методы.

SUMMARY

Тkachenko V.P. Account and forecasting of railway vehicle travelling frictional resistance to a movement. - Manuscript.

Thesis for a doctor's degree by speciality 05.22.07 - rolling stocks and train traction.- EastUkrainian state university, Lugansk, 1999.

The dissertation is directed on reduction of expenses powers on train traction. A complex of researches of travelling frictional resistance to a movement of railway vehicle, caused kinematics and dynamics friction interaction of wheel pairs and way is carried out.

In work develop rules of the theory of closed force contours with reference to kinematics circuits of a direction of wheelset by a railway develop. A technique of account and forecasting travelling frictional resistance to a movement is offered and its characteristics for the majority of types of the serial rolling-stock are received. The experimental characteristics of coupling and kinematics resistance to a movement in "wheel-rail" system are received at point-to-point contact. Concept is entered and criteria cross operate of rail crews are formulated. Principles of designing of railway vehicles with lowered resistance to a movement are determined.

Key words: railway vehicle, resistance to a movement, wheelset, wheel-rail contact, slip, kkinematics, dynamics, friction interaction, mathematical modeling, numerical methods.

Размещено на Allbest.ru