Способ стабилизации динамики движения многоосных тележек
METHOD FOR STABILIZATION OF DYNAMICS OF MOTION OF MULTI-AXLE CARRIAGES

Изобретение относится к средствам улучшения динамики движения вагонов, стабилизации поперечных возмущений и обеспечивает снижение сходов, заклинивания, интенсивности виляния, износа сопряжения «колесо-рельс» многоосных тележек, электровозов, грузовых вагонов используемых в устройствах рельсовых транспортных средств на основных магистралях и для транспортировки горных пород в условиях тяжеловесного движения горнодобывающих комбинатов.
Известна трехосная тележка с самоустанавливающимися осями крайних колесных пар, с буксами кинематически связанных между собой, с возможностью поворота в противоположных направлениях, а средняя колесная пара с буксами выполнена подвижной в поперечном направлении, что обеспечивает хорошее вписывание тележек в кривых участках пути [1].
Недостатком тележки является сложная металлоемкая рычажная система кинематической связи, управляющая положением букс и осей с поворотом крайних колесных пар в противоположных направлениях и перемещениями в осевом направлении, при этом средняя колесная пара выполнена подвижной в поперечном направлении, что размещено в стесненном пространстве, снижает надежность, долговечность, безопасность и ремонтопригодность тележки в целом.
Известна также тележка рельсового транспортного средства [2] в которой для прохождения кривых малого радиуса колесные пары имеют свободные разбеги в поперечном направлении, что получено за счет шарнирной связи горизонтальных и вертикальных поводков с буксами крайних и средней колесных пар. Недостатком этой конструкции является сложность всей системы, обеспечивающей контролируемое смещение колесных пар.
Общим недостатком систем облегчения прохождения тележек в кривых малого радиуса и стабилизации поперечных возмущений является устранение последствий неблагоприятной динамики движения: износа, сходов, подреза и др. за счет демпфирования поперечных усилий, возникающих внутри системы тележка-вагон, воспринимаемых гребнями колесных пар. В то время как первоначальным источником возникновения возмущений вагона является боковая поверхность рельс, устранение влияния которого позволит кардинально решить проблему большинства аномалий, возникающих при эксплуатации транспорта. Поперечные возмущения с проскальзыванием являются основной причиной разрушения гребня, поверхности катания и боковой поверхности головки рельс.
Другим недостатком является невостребованность сложных конструктивных решений, разработанных для криволинейных участков при движении вагонов на прямых участках пути.
На примере технического решения принятого за прототип серийно выпускаемой УралВагонЗаводом трехосной тележки вагона думпкар модели 18-522, разработанной «Уральским конструкторским бюро вагоностроения» состоящей из трех колесных пар, букс, сдвоенных боковин, сцентрированных на оси средней колесной пары, показана возможность модернизации с целью улучшения ходовых характеристик тяжеловесных вагонов [3].
Недостатком прототипа является трехопорная система передачи усилий со стороны гребней колесных пар на рельсы, представляющая собой статически неопределимую систему, которая не обеспечивает минимизации и точности передаваемых расчетных усилий. При прохождении радиусных участков пути ухудшается динамика движения, увеличивается энергия отскока вагонов и ударов о противоположный рельс, повышается деформация всех элементов сопряжения, износ рельс, гребней, заклинивание тележек, распор, виляние вагонов, сходы, подрез гребней, увеличивается нагрузка на подшипники, растет расход энергии на тягу, виновником возникновения которых остается состояние рельс.
Целью изобретения является улучшение динамики движения, уменьшение поперечных сил, распора, возникающих при эксплуатации многоосных тележек, уменьшение высокого уровня напряженного состояния и деформаций в элементах пути, на гребнях колесных пар, колесных центрах, в рамах тележки и вагона, предупреждение заклинивания, сходов, подреза гребня, снижение интенсивности износа сопряжения «колесо-рельс», уменьшение энергии удара вагонов о рельсы и отскока.
Указанная цель достигается тем, что способ стабилизации динамики движения многоосных тележек включающий колесные пары, буксы, боковины, отличающийся тем, что первую, среднюю или крайние колесные пары, отдельно или совместно, в зависимости от их количества, не нарушая центрации тележки в колее, выполняют без гребней с увеличенной шириной поверхности катания на величину поперечного смещения в кривых участках пути относительно рельс, а уменьшение усилий прижатия гребней к рельсам, стабилизацию динамики движения осуществляют силами инерции массы, трения и крипа между рельсом и колесной парой без гребней, возникающих от действия вертикальной нагрузки на ось при поперечном и продольном проскальзывании, при этом профили колесных пар без гребней выполняют с обратной конусностью поверхности катания относительно профиля серийных колес, осуществляют двухстороннюю центрацию тележки в колее и без гребневой контакт, уменьшают разность диаметров контакта и окружных скоростей, проскальзывание и силы крипа в сопряжении наружного и внутреннего колес, а вертикальную нагрузку колеса на рельс, действующие усилия в сопряжении используют в качестве фрикционно-инерционного демпфера, уменьшают кинетическую энергию прямого удара гребней о рельс, оказывают противодействие силам упругости деформированных элементов пути и вагона, вызывающих отскок всей массы в прямом и обратном направлениях, гасят интенсивность колебательных процессов, устраняют разрушительные последствия деталей пути и транспортных средств, виляние, заклинивание, подрез гребней, сходы и повышенный износ сопряжения.
На фиг. 1а показана схема расположения колесных пар трехосной тележки, силы и моменты, действующие при исполнении первой колесной пары без гребней с обратной конусностью; на фиг. 1б то же, при среднем расположении колесной пары.
На фиг. 2 показана схема расположения колесных пар без гребней с обратной конусностью в восьмиосном транспортном средстве.
Предлагаемая модернизация на примере трехосной тележки модели 18-522 позволяет значительно уменьшить боковые усилия, возникающие в сопряжении колеса с рельсом, выкатывание из колеи, подрез гребней, заклинивание колесных пар, распор, снизить силы сопротивления движению, использовать наиболее подходящую технологию упрочнения поверхности катания. Обеспечить износостойкость одновременно поверхности катания и гребня за счет упрочнения не возможно из-за отличия их механизмов износа. При устранении реборды на одной из колесных пар система восприятия вертикальных нагрузок от тележки на рельс не меняется, а система восприятия поперечных усилий становится двух опорной, статически определимой, что позволяет уменьшить усилия распора, изгибающие моменты, деформирующие рельсы, раму тележки и вагона, центры колесных пар и др.
Благодаря появлению дополнительной степени свободы колесной пары без гребней свободно плавающей по поверхности рельсов, в поперечном направлении, меняется механизм силового взаимодействия, что позволило использовать рельс, колесную пару, их сопряжение, силы трения от нагрузки на ось, силы инерции массы и крипа в качестве фрикционно-инерционного демпфера для уменьшения кинетической энергии прямого и обратного удара о рельс, оказать противодействие силам упругости деформированных элементов пути и вагона, уменьшить энергию отскока всей массы в обратном направлении, уменьшить влияние усилий в сопряжении колеса с рельсом, вызванных особенностями конструкции вагона, тележки, погрешностями сборки, допусками на изготовление деталей, скоростями движения, радиусами кривизны пути, нагрузкой на ось и т.д.
Силы инерции, трения и крипа возникающие при проскальзывании колес выполненных без гребней (фиг 1а, поз. 1) не ударяющиеся о рельс, оказывают демпфирующую роль, противодействуют любому поперечному смещению тележки относительно оси. Кроме того, их кинетическая энергия не гасится ударом о рельс, противодействует силам упругости деформированных элементов конструкции вагона, тележки и пути, вызывающих отскок всей массы, способствует гашению интенсивности колебательных процессов в поперечном направлении.
тр.
тр
При нагрузке на ось 20 т, при коэффициенте трения 0,2-0,3, сила трения (F) на первой безгребневой колесной паре (фиг. 1а, поз. 1) составляет от 4х до 6 тонн, а момент М создаваемый ею относительно оси симметрии остальных двух гребневых пар на плече 2550 мм, при базе тележки 3400 мм, модель 18-522, составляет порядка 10-12 Тм. Момент сопротивления повороту в центральной опоре шкворневого соединения трехосной тележки при нагрузке на оси по 20 т и коэффициенте трения 0,2-0,3 составляет порядка 8-12 Тм, что уравновешивается моментом трения от колесной пары без гребней при прохождении кривых участков пути.
Указанные силы и моменты противодействуют силам взаимодействия гребня с рельсом в кривых, уменьшают действие центробежных сил. С увеличением нагрузки на ось на КП без гребней, устранения лубрикации на поверхности катания силы трения будут расти, уменьшая интенсивность износа поверхности катания, гребня и боковой поверхности головки рельс. При этом средняя интенсивность износа лимитирующих поверхностей снизится более чем на треть за счет уменьшения боковых сил и отсутствия гребней.
Расчеты показывают, что при прохождении вагона в кривых радиусом 300 м со скоростью 50 км/час весом 50 т величина центробежной силы, действующей на гребни одной тележки и боковую поверхность рельс составляет 4 т, которая уравновешивается силой трения при поперечном проскальзывании под действием нагрузки на ось, равной 4-6 т.
Уменьшение базы трехосной тележки между гребнями с 34000 до 2270 мм (в 1,5 раза) способствует уменьшению поперечного смещения, изгибной и поперечной жесткости, усилий распора с дополнительным уменьшением вредного воздействия гребня на рельс [5].
Данное обстоятельство позволяет использовать сопряжение «колесо-рельс» и действующую вертикальную нагрузку со стороны колес для устранения возмущений: стабилизировать эксплуатационные параметры, улучшить динамику движения подвижного состава, изменить характер взаимодействия пары «колесо-рельс», уменьшить деформацию рельс, колесных центров, рамы тележки и вагона, вызывающих отскок, рождающий систему незатухающих колебательных процессов с разрушительными последствиями для деталей пути и подвижного состава.
Выполнение обода колесной пары без гребней с увеличенной шириной поверхности катания на величину поперечного смещения в кривых позволит устранить выкатывание колес из колеи. Устранение гребня расширяет поверхность катания колеса на 40 мм. Дополнительное увеличение ширины обода еще на 40-60 мм обеспечит прохождение криволинейных участков пути без схода колес с рельсов. При наличии аномально малых радиусов кривизны возможна параллельная установка серийных рельсов.[4].
Расчеты показывают, что при радиусе кривизны пути 200 м при базе крайних колес 3400 мм трехосной тележки модели 18-522 хорда h (фиг. 1a) в кривой составляет 10-15 мм, что является источником увеличения распорных усилий при взаимодействии гребня с боковой поверхностью рельса и причиной их износа. В прототипе рост усилий компенсируются поперечным смещением колес, изгибной и поперечной жесткостью тележки, деформацией рельсов, колесных центров, корпуса тележки и вагона, зазорами в колее, величиной износа гребня и головки рельс, не устраняя причин их появления.
1
При плавающей поверхности катания первой колесной пары, на примере трехосной тележки, величина хорды h уменьшается в два раза (фиг. 1а), уменьшая пропорционально перечисленные выше проблемы. Дополнительная степень свободы позволяет использовать силы инерции, трения, крипа и моменты от них для демпфирования поперечных возмущений обеспечивая благоприятное вхождение в кривые и без гребневой контакт с рельсом.
Срок службы колесных пар с гребнями на трехосных тележках УВЗ-11a на Качканарском ГОКе, установленных на вагонах думпкар 2ВС-105 с однократной переточкой профиля составляет 2,2 месяца [4].
На вагонах с большим количеством колесных пар возможно использование первой, последней или средних колесных пар выполненных без гребней в каждой тележке фиг. 2, на которой показаны крайние колесные пары без гребней поз. 1 и с гребнями (средние) поз. 2. Вопросы допускаемых усилий от центробежных сил, возникающих на гребнях колесных пар при прохождении кривых малого радиуса с учетом вычитаемых сил и моментов трения решаются выбором скоростного режима.
Сложность и многообразие влияющих факторов взаимодействия колесных пар с рельсом, зависящие от конструкции тележки, величины распорных усилий, скорости движения, радиусов кривизны, осевой нагрузки, делает невозможным обоснованный выбор схем взаимодействия ходовой части с рельсами при прохождении криволинейных участков.
При прохождении криволинейных участков за счет подуклона пути уменьшается давление гребня на внутренний рельс. Но при этом происходит нарушение центрации колесных пар в колее, увеличивается разница диаметров контакта на внешнем рельсе, растут силы продольного и поперечного крипа, изнашивающие сопряжение в целом. Для устранения данного отрицательного эффекта необходима установка безгребневых колесных пар с обратной конусностью.
Выполнение колесных пар без гребней с обратной конусностью позволяет создать дополнительные противодействующие усилия на поверхности катания колеса, обеспечивающие двухстороннюю центрацию тележек в колее, уменьшают усилия взаимодействия гребня с боковой поверхностью головки рельса и обеспечивают безгребневой контакт. При этом увеличивается поперечная жесткость и устойчивость тележки в прямых. Истирание выпуклой части рельсов за счет увеличенного поперечного проскальзывания колесных пар без гребней способствует уменьшению проката на профиле колес.
При прижатии гребневых колесных пар, под действием центробежных сил к внешнему рельсу, происходит увеличение диаметра сопряжения и окружной скорости колеса относительно рельса. При этом происходит уменьшение их на внутреннем рельсе, что увеличивает проскальзывание, крип, износ и тяговые усилия.
Наоборот, при прохождении колесных пар без гребней с обратной конусностью в кривых участках пути, окружная скорость и диаметр сопряжения на внешнем рельсе уменьшается. На внутреннем увеличивается. Разница в сопряжении диаметров и окружных скоростях колес уменьшается вплоть до полного устранения проскальзывания и всех отрицательных последствий, изложенных выше.
При использовании предложенной схемы установки первой колесной пары без гребней на трехосной тележке износу в кривых будут подвержены гребни средней и последней колесной пары на внешнем рельсе.
Кроме того, создание противоположных конусностей на поверхности катания и противоположных усилий, обеспечивающих двухстороннюю центрацию тележек в колее, позволит повысить их поперечную устойчивость, устранить боковые отклонения, виляние, рыскание и другие дефекты.
Колесные пары без гребней с противоположной конусностью могут быть установлены взамен интенсивно изнашивающейся по гребню колесных пар. Место установки колесных пар без гребней определяется статистикой износа. На ЕВРАЗ КГОК средняя колесная пара изнашивается в 1,6 раза быстрее [4], ее замена колесной парой без гребней позволит уменьшить интенсивность износа всех трех колесных пар.
Предложенная совокупность осуществления способа позволяет уменьшить поперечные возмущения, являющиеся основным источником разрушения пары «колесо-рельс», с использованием для этих целей: рельс, колесных пар без гребней, сопряжение между ними, вертикальную нагрузку на ось, силу инерции и кинетическую энергию массы, силы трения и крипа, моменты от них в качестве фрикционно-инерционного демпфера; для уменьшения энергии удара о рельс, устранения виляния, распора, сходов, повышенного износа и других возмущающих факторов, что отвечает критерию «новизна».
Предлагаемое решение позволит значительно упростить конструкцию тележек, уменьшить их вес, повысить надежность, износостойкость рельсов, колесных пар и деталей подвески, снизить стоимость и эксплуатационные расходы.
Литература: 1. Патент №2278040 Трехосная тележка с устанавливающимися осями B61F 5/46, B61F 3/106. от 20.06.2006.
2. Патент №233857 Тележка рельсового транспортного средства МПК B61f 5/38 от 22.09.2008.
3. Паспорт трехосной тележки вагона думпкар модель 118-522 выпускаемой УралВагонЗаводом, разработанной «Уральским конструкторским бюро вагоностроения» Е-mail mail@ukbv.ru
4. Горелов В.В., Горелова Л.С. Исследование надежности и ресурса колесных пар подвижного состава на Качканарском ГОКе. Железнодорожный транспорт №4, ноябрь 2012.
5. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса. Первое издание. Международная ассоциация тяжеловесного движения 2808 Форест-Хилл-карт, Виргиния-Бич, штат Виргиния 23454 США. Москва, 2002.