Управление движением локомотивных тележек в кривых

В. М. Приходько, И. С. Морозкин // Вестник РГУПСа / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. - Ростов-на-Дону. - 2012. - № 1. - С. 7 - 15.

3. Щепетильников, В. А. Основы балансировочной техники [Текст] / В. А. Щепетильни-ков. - М.: Машиностроение, 1975. - 57 с.

4. Григорьев, Н. В. Нелинейные колебания элементов машин и сооружений [Текст] / Н. В. Григорьев. - М.: Машгиз, 1961. - 256 с.

5. Гиоев, З. Г. Влияние радиального зазора на шум якорных подшипников тяговых двигателей [Текст] / З. Г Гиоев, В. М. Бондаренко, В. М. Приходько // Труды РИИЖТа. - Ростов-на-Дону, 1976. - Вып. 126. - С. 38 - 44.

6. Павлов, Б. В. Акустическая диагностика механизмов [Текст] / Б. В. Павлов. - М.: Машиностроение, 1974. - 222 с.

References

1. GOST 19919-74. Technical diagnostics. - M., 1974. - 12 p.

2. Akhverdiev K.S., Prikhodko V.M., Morozkin I.S. Evaluation of the influence of lubrication source on the main operational characteristics of the bearing of finite length in the conditions of the sag [Otsenka vliyaniya istochnika smazki na osnovnyie rabochie kharacteristiki podshipnika konechnoy dliny pri nalichii perekosa]. Vestnik RGUPS. - Bulletin of RGUPS, 2012, no. 1, pp. 7-15.

3. Schepetil'nikov V. A. Osnovy balansirochnoy tekhniki (The basics of the balancing machines). Moskow: Mashinostroeniye, 1975, 57 p.

4. Grigor'ev N.V. Nelineynye kolebaniya elementov mashin i sooruzheniy (Nonlinear oscillations of the machines' and structures' elements). - M.: Machgiz, 1961. - 256 p.

5. Gioev Z. G., Bondarenko V. M., Prikhodko V. M. The influence of the radial clearance on the noise of the traction motors' armature bearings [Vliyaniye radial'nogo zazora na shum ya-kornikh podshipnokov tyagovikh dvigateley]. Trudy RIIGT - The collected papers of RIIZhT, 1976, no. 126, pp. 38 - 44.

6. Pavlov B. V. Akusticheskaya diagnostika mekhanizmov (Acoustic diagnostics of mechanisms). Moskow: Mashinostroeniye, 1974, 222 p.

УДК 656.222.052.46

С. В. Доронин, И. И. Доронина

УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЛОКОМОТИВНЫХ ТЕЛЕЖЕК В КРИВЫХ

В статье рассматривается управляемое движение тележек многосекционных электровозов 2ЭС5К «Ермак» в кривых малого радиуса. Для реализации управления предлагается ввести в состав каждой буксы колесной пары дополнительное звено - специальную каретку. Анализируются два варианта управления положением тележки электровоза в кривых малого радиуса. Приводится вывод об эффективности управления одной передней колесной парой тележки.

Интенсификация перевозочного процесса на железнодорожном транспорте и внедрение в локомотивный парк новых электровозов позволило осуществить переход на прогрессивные технологии поездной работы, связанные прежде всего с увеличением длины и массы составов. Однако эксплуатация электровозов на перевальных участках дорог с кривыми малого радиуса показала, что вписывание их в такие кривые с тяжеловесными составами сопряжено с увеличением энергозатрат на преодоление сопротивления движению и ростом интенсивности бокового износа гребней колес.

Анализ плана и продольного профиля Забайкальской железной дороги, имеющей участки с затяжными подъемами, показал, что более 30 % общей протяженности дороги состав-

Ё ИЕ ИЗВЕСТИЯ Транссиб а 25

ляют кривые, третья часть которых - кривые малого радиуса. План и продольный профиль Дальневосточной железной дороги во многом идентичны с Забайкальской; здесь выделяются участки Архара - Бира, Уссурийск - Владивосток, Угловая - Находка, Комсомольск - Советская гавань с подъемами до 27 %о, имеющими протяженность кривых от 45 до 54 %, а среди них кривые малого радиуса составляют более половины.

Ранее выполненными исследованиями [1] установлено, что при проходе локомотивом крутых кривых с постоянной скоростью его тележки занимают на протяжении почти всей кривой фиксированное положение относительно рельсовой колеи. При этом гребень набегающего колеса передней колесной пары каждой тележки прижат к головке наружного рельса, а задняя колесная пара тележки находится в промежуточном положении без прижатия ее гребней к головкам рельса. Как следствие этого, при установившемся движении в крутых кривых отмечается значительный износ гребней колес и головок наружных рельсов. В пологих кривых такое явление не наблюдается. Исследования показывают, что при вписывании серийных электровозов в кривые гребень набегающего колеса передней тележки оказывается прижатым к наружному рельсу в кривых радиусом от 2370 м и менее. То есть к крутым кривым надо относить не только кривые радиусом до 300 м (кривые малого радиуса), но и более пологие.

Движение тяжеловесных поездов на перевальных участках с крутыми кривыми обычно осуществляется кратной тягой с подталкиванием. Так, на участке Смоляниново - Находка для продвижения тяжеловесных составов используют до четырех электровозов 2ЭС5К «Ермак» (четыре секции в голове и четыре секции в хвосте состава). При этом все тележки локомотива находятся в фиксированном (перекосном) положении, а токовая нагрузка тяговых двигателей достигает максимально допустимых значений. В результате увеличиваются энергозатраты на преодоление сопротивления движению электровозов и возрастает интенсивность износа гребней колесных пар. Подобный характер вписывания электровозов отмечается и на других участках дорог с крутыми кривыми.

Попытки решения этой проблемы смазыванием контактирующих поверхностей рельсов и гребней колес не дают эффективных результатов, так как не удается подобрать легкодоступную смазку и надежную технологию ее нанесения на боковую поверхность головки рельса или же на рабочую поверхность гребня колеса. Не получило широкого развития и предложение о замене существующего профиля поверхности катания колес криволинейным профилем, характеризующимся большей износостойкостью. Реконструкция пути (увеличение радиусов кривых и уменьшение подъемов) из-за ее большой стоимости в настоящее время также не планируется.

Исследования показывают, что на значительном протяжении полигона дорог имеются «конструктивные» причины, определяющие повышенный износ гребней колесных пар локомотивов. Пути устранения этой проблемы мы видим в модернизации экипажной части и систем управления локомотивами.

Для обеспечения минимальных потерь тягового усилия локомотивов и обеспечения нормативного износа гребней подвижного состава и рельсов в крутых кривых необходимо обеспечить активное управление положением тележек локомотива в рельсовой колее. Необходимо именно управление, а не пассивная радиальная установка колесных пар, которую внедряют на новых локомотивах (2ТЭ25А).

Для реализации активного управления можно прикладывать разворотные моменты отдельно к раме тележки, к ее колесным парам или комбинированно. В исследованиях [5] анализировались различные варианты управления. Анализ проводился для номинального состояния контактирующих поверхностей рельсовой колеи и колесных пар. Установлено, что наиболее простым и эффективным способом управления является управление передней колесной парой тележки. Для обеспечения движения локомотива в двух направлениях необходимо иметь два разворотных устройства, хотя одновременно работать будет одно. Задачей предлагаемого устройства является обеспечение такого расположения тележки в рельсовой

26 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(25) ОП4 С

I =

колее криволинейного участка пути, при котором силы бокового давления на наружный рельс гребня набегающего колеса были бы равны нулю (или близки к нему).

В статье [1] сделан вывод о том, что для тележек с «жесткими» поводковыми связями колесных пар с рамой нельзя рекомендовать управляющие устройства, в которых поворот осей колесных пар происходит за счет деформации буксовых поводков. Это обусловлено следующим. Создаваемый таким устройством угол 5 поворота оси каждой колесной пары пропорционален продольной деформации ее буксовых поводков. Но при нормативном коэффициенте продольной жесткости поводковых связей ж = 78500 кН/м необходимый угол 5 и соответствующие деформации буксовых поводков могут быть реализованы только недопустимо большим управляющим моментом.

Чтобы устранить влияние продольной жесткости поводковых связей на величину управляющего момента, предлагается ввести в состав каждой поводковой связи дополнительное звено - каретку с возможностью управляемого поступательного смещения ее вдоль продольной оси поводковой связи. Рассматриваются две схемы установки кареток с самотормозящимися винтовыми механизмами.

В первой схеме (рисунок 1, а) букса 1 поводками 2 соединена с кареткой 3, гайка 4 самотормозящего винтового механизма разворачивающего устройства закреплена на каретке 3, винт 5 этого механизма двумя шарнирами присоединен к раме тележки 6 с возможностью вращения вокруг своей оси. При вращении винта 5 гайка 4, смещаясь вдоль оси винта, передвигает каретку 3 и буксу 1 вместе с поводками 2. Буксы на концах оси колесной пары смещаются разворачивающим устройством в противоположных направлениях, вызывая тем самым поворот этой оси относительно рамы тележки [2].

2 5 3 4 1 6 2

6 2 5 3 4 1 2 6

б

Схемы установки кареток и винтового механизма разворачивающего устройства в поводковой связи буксы с рамой тележки

Ё ^^ИИЗВЕСТИЯ Транссиб а 27

Во второй схеме (рисунок 1, б) каретка 3 поводками 2 связана с рамой тележки 6; гайка 4 самотормозящего винтового механизма шарниром соединена с расположенным на продолжении оси колесной пары центром буксы 1; винт 5 двумя шарнирами присоединен к каретке 3 с возможностью вращения вокруг своей оси. Перемещение гайки 4 вдоль оси винта 5 приводит к смещению центра буксы 1 относительно каретки 3. Противоположно направленные смещения центров букс на концах оси колесной пары приводят к повороту оси относительно рамы тележки [3].

При движении тележки по прямолинейному участку пути или в пологой кривой гайка 4 винтового механизма находится в среднем фиксированном положении, поводковые связи буксы с рамой тележки работают в нормативных условиях.

В обеих схемах установки кареток поворот оси колесной пары на угол 5 от ее номинального положения в раме тележки можно считать состоящим из поворота оси колесной пары на угол о1 за счет смещения гаек 4 при недеформирующихся буксовых поводках и поворота этой оси на угол о2 за счет продольной деформации поводков. При этом:

Разворачивающее устройство винтовым механизмом создает на гайке 4 продольную силу Е. Пренебрегая продольными силами инерции каретки 3 и буксовых поводков 2, можно считать, что сила Е без изменения своей величины передается на буксу 1, а затем на ось колесной пары. Силы Е, приложенные к противоположным концам оси колесной пары, образуют пару сил, момент которой является для колесной пары управляющим моментом М = Е 2% где 2sб - расстояние между центрами букс одной колесной пары.

Возникающие при передаче сил продольные деформации поводковых связей создаются силами, каждая из которых по модулю равна Е. При этом выполняется соотношение:

М = 2 ж sб2 а2.

В первой схеме установки кареток (см. рисунок 1, а) пара сил с моментом М передается на ось управляемой колесной пары через каретки и буксовые поводки. Во второй схеме установки кареток (см. рисунок 1, б) пара сил с моментом М передается на ось управляемой колесной пары непосредственно от гаек 4 винтовых механизмов, расположенных на концах этой оси.

Вписывание в кривые малого радиуса локомотивных тележек без управляющих устройств согласно мсточникам [1] и [4] характеризуется системой трех дифференциальных уравнений и формулой для определения силы бокового давления на рельс гребня набегающего колеса G:

АХЛ + А28х + Аг82 + Л4Л + АД + А652 + А7Л + ДД + А9д2 = Аю + Д ВхЛ + В0дх +Въд0 + В4Л + В5дх +В6д0 + В7Л + В%3Х + ДД, = ВК) +ВпР, ;

+ С23} + С352 + С4Л + С53} + С(52 + С7Л + С,<3] + С9д2 = С10 + С,,/;

О = Е X + Е, 5х + Е3 52 + Е4 X + Е5 X + Еб 5 + Е752 + Е8,

где X - угол перекоса тележки; 51 и 52 - углы разворота продольных осей передней и задней колесных пар относительно рамы тележки; А1 - А1Ь В1 - В11, С1 - С1Ь Е1 - Е8 - постоянные коэффициенты, зависящие от параметров локомотива и рельсовой колеи (формулы приведены в статье [4]); I - время.

В системе дифференциальных уравнений (3) от жесткости буксовых поводков зависят только коэффициенты В8 и С9 [4]. Если разворачивающие устройства с каретками установлены на обеих колесных парах тележки, то указанные коэффициенты принимают вид:

28 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(25) ОП4 С

В09 = 2к* N

где В08 - оставшийся член исходной формулы для коэффициента В8 [4], характеризующий влияние трения скольжения гребня колеса о головку рельса на изменение угла 51.

Если же разворачивающее устройство установлено только на передней колесной паре, то коэффициент В8, как и в предыдущем случае, надо заменить на В08, а коэффициент С9 оставить без изменения, как и в соответствующей исходной формуле [4]. Если управляемой является только задняя колесная пара, то коэффициент В8 остается без изменения, как в исходной формуле [4], а С°9 = 0.

Управляющие моменты на передней (М\) и на задней (М2) колесных парах тележки включаются в качестве дополнительных слагаемых в правые части соответственно второго и третьего уравнений системы (3). При этом, как и в статье [5], в круговой кривой управляющие моменты на колесных парах имеют фиксированные значения М*1 и М*2, во входной переходной кривой управляющие моменты равномерно увеличиваются от начальных значений до значений М*1 и М*2, а в выходной переходной кривой - равномерно от значений М*1 и М*2 до значений, близких к нулю.

В связи с изменением коэффициентов В8 и С9 системы (3) возникает необходимость проверки устойчивости невозмущенного движения тележки в новых условиях. Проверка движения на устойчивость выполнялась по классической методике (Гурвица), этот вопрос подробно рассмотрен в статье [5]. Оказалось, что при наличии разворачивающих устройств с каретками на обеих колесных парах невозмущенное движение тележки в кривой малого радиуса является неустойчивым. Устойчивость этого движения сохранится, если разворачивающее устройство с каретками установлено только на одной какой-либо колесной паре тележки. Поэтому для численного анализа оставлены варианты управления с одним разворачивающим устройством, реализующим задачу управления G = 0.

Расчеты выполнялись по методике, приведенной в статье [5], с использованием приведенных выше уравнений (3) и (4) при измененных формулах для коэффициентов В8 и С9. Результаты этих расчетов приведены в таблице.

Управляющие моменты М*1, М*2 и обобщенные координаты 5*1, 5*2 движения передней тележки электровоза 2ЭС5К в круговой кривой радиусом 200 м со скоростью 10 м/с

M*, кН>м M*2, кН-м хмо3, рад 5*j-103, рад 5*2-103, рад

-14,135 0 11,619 -20,791 0,125

0 -5,197 -8,311 0,074 20,503

Затем по формуле (2) были определены значения вторых слагаемых углов 5*1 и 5*2, входящих в равенство (1): а21 = 0,000074 рад, а22 = 0,000027 рад. Эти слагаемые на три порядка меньше соответствующих суммарных углов 5*1 и 5*2.

Вариант управления, когда М*1 Ф 0, М*2 = 0 (см. таблицу), можно рекомендовать для практического использования. Второй вариант (М*1 = 0, М*2 Ф 0) не рекомендуется для использования как не удовлетворяющий условию А,* > 0.

Список литературы

1. Доронин, С. В. Управляемое вписывание электровозов серии 2ЭС5К «Ермак» в кривые малого радиуса [Текст] / С. В. Доронин // Вестник РГУПСа / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. - Ростов-на-Дону, 2009. - № 2. - С. 21 - 32.

2. Патент 2350499 Российская Федерация, МПК В 61 Б 5/48. Буксовый узел локомотивной тележки с регулируемой установкой колесных пар [Текст] / Доронин В. И., Доронин С. В.; заявитель и патентообладатель Дальневосточный гос. ун-т путей сообщения. -2007127955/11; заявл. 20.07.2007; опубл. 27.03.2009, Бюл. № 9. - 6 с.

№ 1(25) ЛЛ Л I11Г1 Г( Till Транссиба 29

=2016

3. Патент 72448 Российская Федерация, МПК В 61 F 5/38. Устройство для регулируемой установки оси передней колесной пары локомотивной тележки в кривых [Текст] / Доронин В. И., Доронин С. В.; заявитель и патентообладатель Дальневосточный гос. ун-т путей сообщения. - 2007147750/22; заявл. 20.12.2007; опубл. 20.04.2008, Бюл. № 11. - 2 с.

4. Доронин, С. В. Вписывание электровозов серии 2ЭС5К «Ермак» в переходные и круговые кривые малого радиуса [Текст] / С. В. Доронин // Вестник РГУПСа / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. - Ростов-на-Дону, 2009. - № 1. - С. 39 - 44.

5. Доронин, С. В. Управление тележками в рельсовой колее [Текст] / С. В. Доронин // Мир транспорта / МИИТ. - М. - 2008. - № 1. - С. 10 - 13.

6. Доронин, С. В. Невозмущенное движение локомотивной тележки [Текст] / С. В. Доронин // Мир транспорта / МИИТ. - М. - 2007. - № 3. - С. 22 - 24.

References

1. Doronin S. V. The control passing of electric locomotive 2ЭС5К «Ermak» through small-radius curves [Upravliaemoe vpisyvanie elektrovozov serii 2ES5K «Ermak» v krivye malogo radiusa]. Vestnik RGUPS - Proceedings of RSTU, 2009, no. 2, pp. 21 - 32.

2. Doronin V. I., Doronin S. V. PatentRU2350499, 20.07.2007.

3. Doronin V. I., Doronin S. V. Patent RU 72448, 20.12.2007.

4. Doronin S. V. The passing of electric locomotive 2ЭС5К «Ermak» through transition and circular small-radius curves [Vpisyvanie elektrovozov serii 2ES5K «Ermak» v perekhodnye i kru-govye krivye malogo radiusa] Vestnik RGUPS - Proceedings of RSTU, 2009, no. 1, pp. 39 - 44.

5. Doronin S. V. Management of the bogies in the rail track [Upravlenie telezhkami v rel'sovoi kolee]. Mir transporta - World of transport, 2008, no. 1, pp. 10 - 13.

6. Doronin S. V. The undisturbed motion of a locomotive bogies [Nevozmushchennoe dvizhenie lokomotivnoi telezhki]. Mir transporta - World of transport, 2007, no. 3, pp. 22 - 24.

УДК: 629.4.027.2

В. Н. Костюков, А. В. Костюков, Д. В. Казарин, В. В. Басакин

ОЦЕНКА ОДНОРОДНОСТИ ВИБРАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ОДНОТИПНЫХ УЗЛОВ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА

Для повышения достоверности распознавания технического состояния узлов механической части рельсового подвижного состава и расчета критических значений параметров выдвинута гипотеза об однородности групп однотипных узлов механической части электропоезда. В рамках эксперимента по проверке данной гипотезы проведен сбор информации о значениях параметров вибрации узлов электропоезда в движении; разработана методика и проведен статистический анализ измеренных параметров вибрации для однотипных узлов.

Применение бортовых систем диагностики технического состояния узлов механической части рельсового подвижного состава позволяет осуществлять диагностирование с интервалом менее 11 минут, что для ответственного оборудования обеспечивает приемлемый уровень динамической ошибки, не превышающий 0,1 % [1 - 3].

Применение виброакустического метода обнаружения неисправностей роторного механического оборудования в бортовых системах позволяет обнаруживать как зарождающиеся, так и развитые дефекты.

При этом наличие большого числа помех, высокого уровня шумовых составляющих, сопутствующих взаимодействию колеса и рельса, требует разработки способов диагностирования, исключающих или сводящих к минимуму влияние на результат диагностирования внешних факторов.

30 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(25) ОП4 С

i = 2U10