Теоретический расчет ресурса поверхности катания колес на основе экспериментальных наблюдений за вагонами модели 12-9853 на тележках 18-9855 с осевой нагрузкой 25 тс

УДК 625.031.05

А. М. Орлова, В. И. Фёдорова

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РЕСУРСА ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ КОЛЕС НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ВАГОНАМИ МОДЕЛИ 12-9853 НА ТЕЛЕЖКАХ 18-9855 С ОСЕВОЙ НАГРУЗКОЙ 25 ТС

Дата поступления: 08.11.2017 Решение о публикации: 15.11.2017

Аннотация

Цель: Определить основные тенденции проектирования поверхности катания колес на примере стран, которые входят в Международную ассоциацию тяжеловесного движения (IHHA), а также период приработки колес полувагонов, находящихся в подконтрольной эксплуатации на тележках модели 18-9855, и произвести расчет ресурса поверхности катания колеса в зависимости от условий эксплуатации. Методы: Применены методы математического анализа и эмпирический. Результаты: Установлены тенденции проектирования профиля колеса вагонов для тяжеловесного движения и направление развития осевых нагрузок грузовых вагонов. Рассчитан период приработки поверхности катания колеса и гребня, построены графики зависимостей темпа износа колеса от пробега. На основе экспериментальных данных в зависимости от условий эксплуатирования колес осуществлен теоретический расчет ресурса поверхности катания колеса и гребня, а также построен график зависимости толщины обода от пробега. Практическая значимость: Проведенный анализ тенденций проектирования профиля колеса в странах, входящих в IHHA, позволит определить основные геометрические размеры профиля колеса, а также, зная период приработки и форму колеса, которые эксплуатируются под тележками модели 18-9855, уточнить геометрию, которую в дальнейшем возможно применить для уточнения размеров и ее анализа.

Ключевые слова: Профиль поверхности катания, период приработки, темп износа, прокат, ре-

Anna M. Orlova, D. Sci. Eng., professor, a-orlova@yandex.ru (PJSC "Research and production corporation United wagon company"); *Veronika I. Fedorova, engineer, nika.veronika-fedorova@yandex.ru (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University) THEORETICAL CALCULATION OF WHEEL THREAD ENDURANCE BASED ON EXPERIMENTAL OBSERVATIONS OF 1209853 MODEL CARS ON 12-9853 MODEL BOGIES WITH 25 TNF AXLE LOADING

Summary

Objective: To determine principal trends of wheel thread design, by the example of countries included into the International Heavy Haul Association (IHHA), as well as the burn-in period of wheels of open railroad freight cars under field performance program on bogies of 18-9855 model and to predict wheel thread endurance, depending on operation conditions. Methods: Methods of mathematical analysis as well as the empirical method was applied. Results: The trends of wheel profile design for heavy haul wagons, as well as the tendency of freight car axle loading development were established. The burn-in period of wheel thread and wheel flange was calculated, dependency graphs of wheel wear rate and mileage were constructed. On the basis of the experimental data, depending on the conditions of wheel maintenance, theoretical calculation of wheel thread and flange endurance was performed, as well as the dependency graph of rim thickness and mileage was constructed. Practical importance: The conducted analysis of trends of wheel thread profile design in IHHA countries will make it possible to determine the basic

geometrical dimensions of wheel profile. Moreover, knowing the burn-in period and the form of the wheels, which are used in bogies of 18-9855 model, it is possible to revise geometry which in future may be applied for the correction of dimensions and its analysis.

Keywords: Wheel thread profile, burn-in period, rate of wear, wheel tread wear, endurance.

Введение

В России поиск формы профиля колес на начальном этапе развития железнодорожного транспорта осуществлялся железными дорогами самостоятельно, так как они были обособлены и отсутствовали единые подходы и требования к их созданию [1]. В 1881 г. был сделан первый шаг, чтобы унифицировать профиль, и им стало установление единого расстояния между внутренними гранями колес колесных пар. В 1926 г. на сети железных дорог СССР был введен объединенный профиль колес для вагонов и локомотивов, который практически без изменений используется по настоящее время на пассажирских и грузовых вагонах, а также на вагонах электропоездов. На рис. 1, а-г представлены профили, используемые в России: 1) профиль по ГОСТ 10791 (рис. Б.1) предназначен для грузовых и пассажирских вагонов локомотивной тяги, немоторных вагонов и специализированного подвижного состава; 2) профиль по ГОСТ 11018-2000 - для тягового подвижного состава; 3) профиль по ГОСТ 10791 (рис. Б.2) для пассажирских вагонов с конструкционной скоростью более 160 км/ч; 4) профиль 200-М-70 специально разработан для скоростного электропоезда «САПСАН» [2].

В настоящее время актуальным является вопрос совершенствования конструкции грузового вагона для обеспечения тяжеловесного движения в России. К наиболее важным частям грузового вагона относится колесная пара, которая передает нагрузку на рельс от всей конструкции вагона. Повышение надежности колеса приобретает особое значение при росте осевых нагрузок и скорости движения, так как улучшение характера движения экипажа возможно либо за счет корректировки параметров экипажа, либо посредством разработки нового профиля колеса.

Обзор профилей для тяжеловесного движения

В странах с развитым тяжеловесным движением, таких как США, ЮАР, Австралия, Индия, ведутся разработки улучшенного профиля колеса и используются разные подходы для проектирования. Например, в США профиль колеса (ААЯ-Ш) построили за счет форм изношенных колес, полученных из эксплуатации с учетом дальнейшей доработки [3], в Украине данным методом были созданы профиль ИТМ-73 [4, 5] и его аналоги, но профиль ориентирован для применения в тележке модели 18-100 с осевой нагрузкой не более 23,5 тс. В Швеции и Китае форму профиля колеса получили с помощью методов оптимизации [6, 7], путем нахождения оптимальных параметров взаимодействия колеса с рельсом. Также одним из способов построения профиля является его разработка на базе развертки поперечного сечения рельса. В таблице в качестве сравнения приведены параметры профилей колес разных стран, которые входят в Международную ассоциацию тяжеловесного движения (1ННА) [8].

Из таблицы видно, что профили имеют абсолютно разные формы и толщину гребня, эксплуатируются при разнообразных условиях и с различной осевой нагрузкой. Также в странах, входящих в 1ННА, кроме России и Индии, железнодорожная линия является специализированной и выделенной. Таким образом, из представленного обзора профилей колес было принято решение на основе подконтрольной эксплуатации полувагонов 12-9853 на тележках 18-9855, с учетом сложных климатических условий, провести расчет темпов износа поверхности катания колес, гребней и построить приработанный профиль [9], который будет использоваться на началь-

130*

124" 1001 1*

¡60° ±

70*

4D ± 0,3*

/-3--—1-sir^iSiOJ"''

1:3-Б/ <3 1:10/ B1Si О, а у \ 7 Î,

УУ -

\Л12,5± 3.:

Рис. 1. Профили поверхности катания колес России: а - по ГОСТ 10791, рис. Б.1; б - по ГОСТ 10791, рис. Б.2; в - по ГОСТ 11018-2000;

г - профиль 200-М-70

а

б

Основные геометрические характеристики профилей колес стран, входящих в 1ННА

Наименование профиля Форма профиля (конусность) Толщина гребня, мм Радиус выкружки, мм Угол наклона гребня к горизонтали, град Осевая нагрузка, тс

Россия, ГОСТ 10791 1:10 33 15 60 25

США, ААЯ-1Б 1:20 33 14,3 75 32,5

Китай, ЬМ профиль Криволинейная 32 14 70 25

ЮАР, профиль 1:20 16 16 68 30

Индия, профиль 1:20 25 14 72 25

Австралия, ANZR1 1:20 30 16 70 до 40

ном этапе расчетов для дальнейшей его оптимизации.

Определение темпов износа профиля колес в тележках модели 18-9855

На основе подконтрольной эксплуатации вагонов модели 12-9853 на тележках 18-9855 с осевой нагрузкой 25 тс, которая снабжена колесными парами РВ2Ш-957-Г, удовлетворяющими требованиям ГОСТ 4835, с колесами повышенной твердости с криволинейным диском и профилем поверхности катания по ГОСТ 10791 (рис. 1, а), курсирующих на замкнутом маршруте между станциями Челу-тай Восточно-Сибирской дороги, и Ванино Дальневосточной дороги были определены темпы износа поверхности катания колес и темпы износа гребней колес [9]. Данные для расчета были взяты на основе комиссионных осмотров вагонов при среднем пробеге 65, 145, 210 и 315 тыс. км после осмотра при среднем пробеге в 400 тыс. км колеса вагонов были обточены, так как был достигнут износ по прокату, результаты замеров приведены в [9, 10].

Обмер профилей колес производился с использованием профилометра ИКП-5 [11] методом лазерного сканирования в четырех сечениях поверхности катания колеса (через

каждые 90°). Толщина гребня определялась как расстояние, измеренное по горизонтали на высоте 18 мм от вершины гребня. Прокат находился как разность между измеренной на расстоянии 70 мм от наружной грани колеса высотой гребня и ее номинальным значением (28 мм). Погрешность измерений координат профилей колес составляет ±0,1 мм.

Период приработки гребня колеса достигается при пробеге в 65 тыс. км, темп износа на момент приработки в среднем составляет 0,381 мм/10 тыс. км, в стационарном режиме он равен 0,034 мм/10 тыс. км (рис. 2).

Период приработки для поверхности катания колеса отличается от периода приработки гребня и достигается при пробеге, равном 210 тыс. км. В результате расчетов был определен темп износа на момент приработки и работы колеса в стационарном режиме - соответственно 0,73 и 0,71 мм/10 тыс. км (рис. 2).

Теоретический расчет ресурса поверхности катания колеса

По результатам расчетов периода приработки и темпа износа поверхности катания и гребня колеса был выполнен теоретический расчет колеса по исчерпанию толщины обода. Для расчета было принято, что запас на износ

Рис. 2. График изменения темпов износа гребня колеса (а) и поверхности катания колеса (б) от пробега вагона

для гребня Zтр = 8 мм (с учетом, что профиль изначально выбран новый с толщиной гребня 33 мм) и поверхности катания Zкат = 9 мм (предельно допустимый прокат в эксплуатации), толщина обода в новом состоянии принималась равной 77,5 мм, допускаемая минимальная толщина обода по предельному износу в соответствии с [12] составляет 24 мм.

Рассчитаем предельный ресурс до обточки отдельно для гребня и поверхности катания:

n=2

Zp =H • h

i=1

j=1

n=4 ,

ZKaT = X1i ' Lj, i=1

j=1

где - темп износа, соответствующий каждому шагу расчета; Ь. - пробег вагона, отвечающий каждому шагу расчета.

По результатам расчетов было определено, что ресурс гребня до обточки достаточно велик и составляет 1,7 млн км, в то же время поверхность катания исчерпает свой ресурс до обточки при пробеге 286 тыс. км.

Основываясь на данных подконтрольной эксплуатации полувагонов модели 12-9853 на тележках 18-9855, был произведен прогноз ресурса колеса по исчерпанию толщины обода, исходя из условия, что колесная пара будет обтачиваться по достижению максимального проката 9 мм (как и вагоны подконтрольной группы), а также для случаев предупредительных обточек через каждые 65, 145 и 210 тыс. км пробега (рис. 3). Приведенный расчет ресурса колеса не учитывает изменение твердо-

а

б

00 00

оо un

un oo oo X

го

rv

q

s

=1

—I

<

=1

n

78 74 70

Ресурс поверхности катания колесной пары в зависимости от различных условий эксплуатации

о

Щ

о 50

S

3" 46

42 38 34 30 26 22

1 % 1

i 1». .. 1 < i - .

Jfc, 1 *- >, i

i * + * J 4

"f 1 4. *** i

ai-. 'Ч -Щ

1 É. ^ e ' -

T '4 »» _ *1 ^ * » Ц

Ф' 4

'Щ 1 2 t 3

Л 1 T  1 1 1 i

1 1

О 70 140 210 280 350 420 490 560 630 700 770 840 910 980 1050 1120 1190 1260 1330 1400 1470 1540 1610

Пробег, тыс. км

Рис. 3. Ресурс колесной пары по достижению предельной толщины обода в зависимости от различных условий эксплуатации: 1 - обточка каждые 65 тыс. км; 2 - обточка каждые 145 тыс. км; 3 - обточка каждые 210 тыс. км; 4 - обточка по достижению проката 9 мм

п о го "О

го

к

го л

л £

го н го

X л о ь

о

"О

QJ

л

Г) Z1

о

"О

ISJ

о

vj

СП СП

ю

сти и износостойкости по глубине обода колеса.

При обточке колесной пары в среднем снимается от 3 до 8 мм слоя металла дополнительно к величине износа по кругу катания. В начальный период приработки процесс образования износа по кругу катания протекает медленнее, чем после приработки [13].

По вагонам эксплуатационной группы количество снимаемого металла после первой обточки составляет в среднем 5 мм (данное значение было принято при расчете ресурса колеса как максимальное с учетом наихудших условий и образования выщербин браковочного размера), которое обтачивается по достижению максимального проката; в остальных случаях для предупредительной обточки в 65, 145 и 210 тыс. км, исходя из ожидаемого износа поверхности катания, было принято соответственно 3, 4 и 4 мм снимаемого слоя металла.

Из прогнозируемого расчета ресурса колеса (см. рис. 3) видно, что для продления ресурса лучшим при эксплуатации является условие, когда колесная пара достигает проката в 9 мм, но это при том, что на поверхности катания не возникнут неисправности браковочного характера.

В качестве предупредительных мер до образования максимально допустимого проката и неисправностей возможно производить обточки каждые 145 или 210 тыс. км. Выполнять обточки каждые 65 тыс. км нецелесообразно, так как ресурс поверхности катания меньше в отличие от других случаев, и для грузовых вагонов обточка в каждые 65 тыс. км будет достаточно частой процедурой.

Заключение

На основе экспериментальных данных подконтрольной эксплуатации полувагонов 129853 на тележках 18-9855 было определено, что:

• период приработки гребня колеса достигается при пробеге в 65 тыс. км, темп износа

в период приработки в среднем составляет 0,381 мм/10 тыс. км, в стационарном режиме он равен 0,034 мм/10 тыс. км;

• период приработки для поверхности катания колеса отличается от периода приработки гребня и достигается при пробеге в 210 тыс. км. В результате расчетов был определен темп износа на момент приработки и работы колеса в стационарном режиме - соответственно 0,73 и 0,71 мм/10 тыс. км.

Полагаясь на экспериментальные данные, теоретический расчет ресурса колеса до обточки составляет 286 тыс. км для поверхности катания и 1,7 млн км для гребня.

Расчет прогнозируемого ресурса колеса по исчерпанию толщины обода в зависимости от различных условий эксплуатации показал, что, если выполнять предупредительные обточки колеса при пробеге, составляющем 65, 145 и 210 тыс. км, ресурс будет 765, 1,035 и 1,323 млн км соответственно. При проведении обточек по достижению максимального проката 9 мм ресурс колеса по исчерпанию толщины обода составляет 1,6 млн км.

Библиографический список

1. Ромен Ю. С. Гармонизация профилей рельса и колесной пары / Ю. С. Ромен // Тез. докл. XI Междунар. науч.-технич. конференции «Подвижной состав XXI века : идеи, требования, проекты». Санкт-Петербург, 6-10 июля 2016 г. - СПб. : ПГУПС, 2016. - С. 20-22.

2. Максимов И. Н. Разработка профиля колес для скоростных поездов и прогнозирование его эволюции в процессе взаимодействия подвижного состава и пути : дис. ... канд. техн. наук : 05.22.07 / И. Н. Максимов. - М. : Науч. исслед. ин-т ж.-д. транспорта, 2014. - 226 с.

3. Харрис У. Дж. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения : вопросы взаимодействия колеса и рельса / У. Дж. Харрис, С. Захаров, Дж. Ландгрен, Х. Турне, В. Эберсен ; пер. с англ. ; под ред. С. М. Захарова, В. М. Богдановой. - М. : Интекст, 2002. - 408 с.

4. Ушкалов В. Ф. Увеличение ресурса колесных пар за счет использования износостойких профилей колес / В. Ф. Ушкалов, Н. В. Безрукавый // Техническая механика. - 2015. - № 1. - С. 32-37.

5. Патент Российской Федерации на полезную модель «Колесо железнодорожного вагона» № 2011123145/11 от 09.06.2011 г. / В. Ф. Ушкалов, Т. Ф. Мокрий, И. А. Мащенко, И. Ю Малышева, А. Д. Лашко. - М., 2011.

6. Li Li. Optimal design of wheel profile for highspeed train / Li Li, C. Dabin, J. Xuesong. - Chengdu, China, 2015. - 22 p.

7. Shevtsov I. Y. Wheel / Rail Interface Optimization / I. Y. Shevtsov. - The Netherlands : Civil Engineering and Geosciences Delf University of Technology, 2008. - 218 p.

8. Захаров С. М. Развитие тяжеловесного движения в мире / С. М. Захаров // Вестн. ВНИИЖТ. -2013. - № 4. - С. 9-17.

9. Орлова А. М. Анализ существующей ситуации взаимодействия колес и рельсов. Постановка задач исследования / А. М. Орлова, В. И. Федорова // Тез. докл. XI Междунар. науч.-технич. конференции «Подвижной состав XXI века : идеи, требования, проекты». Санкт-Петербург, 6-10 июля 2016 г. - СПб. : ПГУПС, 2016. - С. 121-123.

10. Лосев Д. Н. Вагоны на тележках «Барбер» : итоги эксплуатации / Д. Н. Лосев // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2016. - № 4 (48). - С. 8-9.

11. Лазерный профилометр поверхности катания колесной пары. Серии ИПК-5. Руководство по эксплуатации. - Минск : ООО «РИФТЭК», 2010. -63 с.

12. Руководящий документ по ремонту и техническому обслуживанию колесных пар с буксовыми узлами грузовых вагонов магистральных железных дорог колеи 1520 (1524 мм). - Согласован Комиссией Совета по железнодорожному транспорту полномочных специалистов вагонного хозяйства железнодорожных администраций. Протокол от 4-6 сентября 2012 г.

13. Иванов И. А. Ресурс и ремонтопригодность колесных пар подвижного состава железных дорог : монография / И. А. Иванов, А. А. Воробьев, С. И. Губенко, В. Г. Кондратенко, Д. П. Кононов, А. М. Орлова. - М. : ИНФРА-М, 2011. -264 с.

References

1. Romen Y. S. Garmonyzatsiya profyley relsa i kolesnoy pary [Harmonization of rail profile and a set of wheels]. Tezysy dokladov XI Mezdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii "Podvyzhniy sostav XXI veka: idey, trebovaniya, proyekty" [Abstracts of the 10th International research and technical conference "Rolling stock of the 21st century: ideas, requirements, projects"]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2016, pp. 20-22.

2. Maksymov I. N. Razrabotka profilya koles dlya skorostnykh poyezdov i prognozyrovaniye yego evo-lutsii vprotsesse vzaimodeystviyapodvyzhnogo sosta-va i puty [The development of rail profile for rapid trains and its evolution forecasting in the process of train-track interaction]. Diss... Cand. Sci. Eng.: 05.22.07. Moscow, Research institution of railway transport Publ., 2014, 226 p.

3. Harris W. J., Lundgren J., Tournay H. & Ebersohn W. Obobsheniye peredovogo opyta tyazhelove-snogo dvyzheniya: voprosy vzaimodeystviya kolesa i relsa [Guidelines to best practices for heavy haul railway operations: wheel and rail interface issues]. Tr. from English; ed. by S. M. Zakharov, V. M. Bog-danova. Moscow, Intext Publ., 2002, 408 p.

4. Ushkalov V. F. & Bezrukaviy N. V. Uvelycheniye resursa kolesnykh par za schet ispolzovaniya iznosos-toykykh profyley koles [Wheel set life extension using wear-resistant rail profiles]. Engineering mechanics, 2015, no. 1, pp. 32-37.

5. Ushkalov V. F., Mokriy T. F., Mashenko I. A., Malysheva I. Y. & Lashko A. D. Patent Rossiyskoy Federatsii na poleznuyu model "Koleso zheleznodor-ozhnogo vagona" no. 2011123145/11 ot 09.06.2011 [License of the Russian Federation for a utility model "Rail car wheel" N2011123145/11 dated09.06.2011]. Moscow, 2011.

6. Li Li, Dabin C. & Xuesong J. Optimal design of wheel profile for high-speed train. Chengdu, China, 2015, 22 p.

7. Shevtsov I. Y. Wheel/Rail Interface Optimization. The Netherlands, Civil Engineering and Geosciences Delft University of Technology Publ., 2008, 218 p.

8. Zakharov S. M. Razvitiye tyazhelovesnogo dvy-zheniya v myre [The development of heavyweight

traffic in the world], VNIIZhTBulletin, 2013, no. 4, pp. 9-17.

9. Orlova A. M. & Fedorova V. I. Analyz sushest-vuyushey situatsii vzaimodeystviya koles i relsov. Postanovka zadach issledovaniya [The analysis of the current situation of rail and track interaction. Setting of research objectives]. Tezysy dokladovXIMezdunarod-noy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii "Podvyzhniy sostav XXI veka: idey, trebovaniya, proyekty" [Abstracts of the 10th International research and technical conference "Rolling stock of the 21st century: ideas, requirements, projects"]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2016, pp.121-123.

10. Losev D. N. Vagony na telezhkakh "Barber": itogy ekspluatatsii [Cars on "Barber" bogies: operation results]. Cars and rolling stock, 2016, no. 4

11. Lazerniy profylometr poverkhnosty kataniya kolesnoy pary. Serii IPK-5 [Laser range profilome-ter of a wheel thread. Series IPK-5]. Rukovodstvo po

ekspluatatsii [User's guide]. Minsk, OOO "RIFTEK" Publ., 2010, 63 p.

12. Rukovodyashiy document po remontu i tekh-nicheskomu obsluzhyvaniyu kolesnykh par s buksovymy uzlamy gruzovykh vagonov magystralnykh zheleznykh dorog kolei 1520

13. Ivanov I.A., Vorobiyev A. A., Gubenko S. I., Kondratenko V. G., Kononov D. P. & Orlova A. M. Resurs i remontoprygodnost kolesnykh par podvyzh-nogo sostava zheleznykh dorog [Wheel set life time and maintainability of railway rolling stock]. Moscow, INFRA-M Publ., 2011, 264 p.

ОРЛОВА Анна Михайловна - доктор техн. наук, профессор, a-orlova@yandex.ru (ПАО «НПК ОВК»); *ФЁДОРОВА Вероника Игоревна - инженер, nika.veronika-fedorova@yandex.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).