К вопросу о безударном прохождении колесом рельсового стыка

Общетехнические и социальные проблемы

163

Исходя из сказанного выше, можно сделать вывод о том, что вакуумный выключатель способен осуществлять защиту ЭПС от токов короткого замыкания в тяговой сети постоянного тока. При условии собственного времени срабатывания привода не более 1,5 мс выключатель ограничивает ток на уровне 4 кА при индуктивности сети 3 мГн и на уровне 1100 А при индуктивности сети 50 мГн. Уставка выключателя при этом составляет 900 А. Емкость конденсатора контура противотока, которая с запасом обеспечит отключение тока КЗ при данных параметрах, составляет 75 мкФ.

Основными проблемами, которые необходимо решить при коммутации тока вакуумным выключателем, являются уменьшение скорости ПВН и поглощение электромагнитной энергии, накопленной в цепи к моменту отключения. Для уменьшения скорости ПВН последовательно с камерой включается дроссель, который имеет значительное индуктивное сопротивление при малых токах. Тем самым уменьшается скорость подхода тока к нулю и ПВН. Подключение конденсатора емкостью 0,1-0,01 мкФ параллельно контактам также способствует уменьшению скорости ПВН.

Для поглощения электромагнитной энергии и ограничения перенапряжений на входе выключателя необходимо подключить ограничители перенапряжений, выполненные, например, на основе нелинейных сопротивлений (оксидно-цинковых варисторов). Ограничители должны быть способны рассеять энергию порядка 50 кДж и более. Для обеспечения требуемой нагрузочной способности по току возможно параллельное подключение цепочек ОПН, но тогда появляется проблема обеспечения синхронного срабатывания ОПН.

Библиографический список

1. Защита тяговой сети от токов короткого замыкания : учеб. пособие для вузов /

С. М. Кузнецов. - Новосибирск : Изд. НГТУ, 2005. - 352 с. - ISBN 5-7782-0500-7.

2. Протокол ЭО-01-05 предварительных испытаний выключателя быстродействующего БВ-1 / В. А. Малютин, И. И. Талья, Н. В. Лысов, Г. Д. Князева, А. В. Боголепов и др. // СПб. : ЗАО ЦНИИ ТЭП, 2005. - 96 с.

3. Электрическая часть станций и подстанций : учебник для вузов / А. А. Васильев, И. П. Крючков, Е. Ф. Наяшкова и др.; ред. А. А. Васильев. - М. : Энергоатомиздат, 1990. - 576 с. - ISBN 5-283-01020-1.

4. Тяговые и трансформаторные подстанции : учебник для техникумов ж.-д. трансп. / А. А. Прохорский. - М. : Транспорт, 1983. - 496 с.

УДК 656.2.08

К. Н. Войнов, В. С. Доев

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

ОЙцетехнические и социальные проблемы

К ВОПРОСУ О БЕЗУДАРНОМ ПРОХОЖДЕНИИ КОЛЕСОМ РЕЛЬСОВОГО СТЫКА

Известно негативное влияние ударных воздействий колёсных пар при движении по рельсовому полотну как на концевые участки рельсов, так и на экипаж (локомотивы, вагоны и др.). Зона рельсовых соединений - самое слабое место, которое достаточно быстро разбивается и изнашивается. Кроме того, существенно ухудшается динамика движения железнодорожного экипажа, что в конечном итоге вызывает разрушения ходовой части.

стык, рельсовое соединение, удары, модернизация, расчёт.

Введение

Стыковые соединения рельсов на железнодорожном полотне оказываются весьма слабым и быстро изнашивающимся местом. Именно здесь возникают динамические удары в момент прохода колёсных пар. Кроме общего ухудшения динамики работы подвижного состава, образуется сильный шумовой эффект, негативно влияющий на всю окружающую среду. Удары приводят к расплющиванию, сколам и трещинам концов рельсов, а также к их повышенному износу. В данном случае рассматривается вариант модернизации стыкового сопряжения, который значительно уменьшает ударное воздействие колёс. Кроме того, даются соответствующие расчёты.

1 Возможное конструктивное решение и расчёты

В новом экспериментальном варианте сделана попытка максимально снизить вредное влияние сильных ударных воздействий колёс, которое имеет место в зоне стыковых соединений. Традиционные методы уменьшения величины ударов за счёт соответствующих скосов или путём постановки прокладок не дают должного эффекта. Как правило, не лучшим способом повышения «живучести» сопряжения является заварка зазора, так как при этом меняется структура материала как в зоне сварки, так и в прилегающих областях рельсов. В эксплуатации это приводит к достаточно быстрому изнашиванию соответствующих зон соединения концов рельсов. С другой стороны, ударное воздействие колёс неизбежно ведёт к расплющиванию, трещинам и даже сколам концов рельсов, а также к увеличению шума при движении подвижного состава. Особенно это заметно и вредно действует на машинистов и пассажиров в вагонах метро, находящихся в трубе-тоннеле.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

Общетехнические и социальные проблемы

165

В целях существенного уменьшения влияния описанного негативного явления в модернизированном варианте предусматривается установление вплотную к двум стыкуемым концам рельсов специального горбатообразного рельса, выполненного таким образом, что имеющийся в нём жёлоб обеспечивает плавное кратковременное качение по нему только гребня колеса. Это на мгновение приподнимает круг катания в зоне стыка рельсов и удара в этом месте вообще не происходит. Так как горбатообразный рельс имеет плавный пологий подъём, а также аналогичный спуск, то опускание колеса на основной круг катания происходит плавно. Для предохранения от схода колёсной пары дополнительные горбатообразные с жёлобом рельсы имеют снаружи буртики, не позволяющие колёсам переместиться в наружную сторону железнодорожной колеи и допустить сход подвижного состава.

Если предположить, что ширина просвета между концами рельсов 5 мм, а скорость движения поезда 80 км/ч, то такой зазор с кратковременным приподниманием колёс на высоту около двух-трёх мм произойдёт в течение всего 0,0002 с! Естественно, что при меньшей скорости это время несколько увеличится, но сила удара снижается во всех случаях.

Рассмотрим следующий условный пример. Пусть радиус катания колеса R1 = 480 мм, высота реборды h = 28 мм. Тогда радиус реборды R2 = = 508 мм. Масса колёсной пары т = 700 кг. Момент инерции её относительно оси вращения Jz = 92 кгм2. Скорость движения Vc = 72 км/ч = 20 м/с. Пусть также ширина стыка будет b = 2 см = 2 • 10-2 м. Тогда время прохода стыка т = b/Vc = 0,001 с = 10-3 с. Массу кузова вагона положим ткуз= 60 т = = 6 • 104 кг.

В традиционном варианте возникновения удара, когда стык не снабжён боковым рельсом для опоры на него гребня колеса, количество движения колёсной пары т • Vc = 700 • 20 = 1,4 • 104 кгм/с.

Изменение количества движения при ударе по вертикали: AmVy = т х х Vc • tg а, по горизонтали: AmVx =т • Vc • (1 — cos а). Здесь угол а

определяется величиной между вертикальной осью, проходящей через центр колеса и середину стыка, а также линией, соединяющей центр колеса с верхней кромкой конца рельса в стыке.

2

Так как угол а весьма мал, то tg а ~ а; cos а ~ 1 — а / 2; tg а = а = = b/2Rb

(1 - cos а) = а2 / 2 = b2 / 8R12 .

Тогда AmVy = т • Vc • b/2Ri ; AmVx = т • Vc• b2 / 8R12.

Изменение скорости кузова при ударе по горизонтали:

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

(Общетехнические и социальные проблемы

2 2

АУкх = Аш¥х / Шкуз', АУкх = шУс b / (8R1 m^);

по вертикали

АУку = АтУу / Шкуз, АУку = шУс b / (IRm^?).

Если подставить значения величин, принятые в примере, получим:

АУкх = 5,063 • 10-5 м/с = 0,05 мм/с; АУку = 4,86 • 10-3 м/с = 4,86 мм/с.

Теперь рассмотрим вариант удара колеса (точнее - гребня) о прижатый к основным концам рельсов боковой горбатообразный рельс. Потенциально может иметь место скачкообразное изменение угловой скорости ©1 вращения/качения колеса, то есть

©1 = Ус / Ri.

Угловая скорость ©2 при качении реборды по дополнительному боковому рельсу будет

©2 = Ус / R2.

При этом R2 = R1 + h, а изменение угловой скорости

А© = ©1 - ©2 = Ус - ((1/R1) - (1/R2)) = У& / R1R2.

Такое изменение происходит практически мгновенно, но реально пусть на это тратится т секунд.

Следовательно, угловое ускорение 8 = А© / т = Уch/тR1R2.

Момент сил инерции колёсной пары

М = Jz • 8 = JjYh / tR1R2.

Назовём этот момент «ударным». Заметим, что на каждое колесо пары приходится половина момента (M/2). Если ударный момент колеса представить в виде пары сил с плечом R2, то можно вычислить силу Р, с которой гребень колеса может действовать на боковой горбатообразный рельс, опирающийся на шпалы:

P = M/2R2 = J2 УсН / tRR222.

Тогда

Р = 92-20-0,028 / (10-3 0,48 0,5082) = 207,96 103 Н, что соответствует около 20 тс.

Сравним эту силу с максимальным значением силы сцепления колеса с рельсом ^сц = f • N, которая при нормальном давлении N = 10 тс и коэффициенте трения f = 0,3 равна 3 • 103 Н.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1

Общетехнические и социальные проблемы

167

Очевидно, что сила Р, действующая кратковременно, будет превосходить значение силы сцепления. Следовательно, гребень проскочит короткий участок подъёма колеса юзом.

Так как в любом случае (с юзом или без юза) гребень колеса, периодически касающийся головки рельса, при движении по длинному железнодорожному пути будет изнашиваться, как и жёлоб горбатообразного рельса, то конструктивно предусматривается подрегулировка высоты расположения дополнительного бокового горбатообразного рельса по отношению к подошве рельса.

Заключение

Изложенный принцип может быть использован на звеньях сочленённых секций конвейера/транспортёра. Технически грамотно подобранные материалы и шероховатости соприкасающихся поверхностей, а также плавная пологость бокового рельса и незначительное приподнятие колёсной пары в зоне прохождения стыка являются залогом потенциально возможного улучшения динамики экипажа. Замена короткого бокового рельса, надёжно прикреплённого к основным рельсам и шпалам, не требует таких больших затрат времени, как в случае замены всей плети или вырезки отдельных участков. Наконец, если не произошло своевременного подрегулирования, то колесо в новом варианте в зоне стыка обопрётся одновременно как на свой круг катания, так и на гребень, что также снизит ударное воздействие.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1