К вопросу об устойчивости против вкатывания колеса на рельс для порожних грузовых вагонов

УДК 629.46.016.5

В. Д. ДАНОВИЧ, В. В. РЫБКИН, А. Г. РЕИДЕМЕИСТЕР,

Н. В. ХАЛИПОВА, |А. П. ТРЯКИН

к вопросу об устойчивости против вкатывания колеса на рельс для порожних грузовых вагонов

У статт розглядаються питання визначення стiйкостi проти вкочування гребеня колеса на головку рейки для рiзних моделей порожшх чотиривiсних вантажних вагошв з вiзками моделей 18-100 (ЦНИИ-Х3). Досль джено вплив характеристик вагона на тривалють вiдрiзку часу, протягом якого вiдбуваeться вкочування гребеня колеса пвд час руху вагона по прямш i в кривих малих i середнiх радiусiв.

В статье рассматриваются вопросы определения устойчивости против вкатывания гребня колеса на головку рельса для различных моделей порожних четырехосных грузовых вагонов с тележками моделей 18-100 (ЦНИИ-Х3). Исследовано влияние характеристик вагона на время возможного вкатывания гребня колеса при движении вагона по прямой и в кривых малых и средних радиусов.

The paper considers the issues of determining the rates of stability against a wheel flange climb onto the railhead for various models of empty four-axle freight cars with bogie series 18-100. The influence of the car parameters on the period of probable wheel flange climb in running on straight track sections and in negotiating small and medium-radius curves has been investigated.

Работа посвящена изучению влияния параметров порожнего грузового вагона с тележками моделей 18-100 (ЦНИИ-Х3) на показатели безопасности движения и определению предельных скоростей движения по магистральным путям. Результаты получены путем математического моделирования пространственных колебаний системы «грузовой вагон - железнодорожный путь». Основы этого подхода изложены в [1; 2]. Из работ последних лет, посвященных рассматриваемому вопросу, можно упомянуть [3; 4], от которых настоящая работа отличается тем, что в ней рассматривается большее число моделей вагонов и изучается влияние параметров вагона на качественный характер зависимости коэффициента запаса устойчивости против вкатывания гребня колеса на рельс от времени (а не только на его величину).

В период 1991-1992 гг. ДИИТ силами лаборатории динамики и прочности подвижного состава, путеиспытательной и мостоиспыта-тельной лабораторий выполнил на ЮжноУральской железной дороге комплексные исследования воздействия на путь поездов из порожних полувагонов, имеющих в своем составе 300...400 осей [5]. Результаты проведенных исследований показали, что при скорости движения, превышающей 65 км/ч, возникает угроза безопасности движения, связанная с потерей устойчивости порожних полувагонов из-за возможного схода колес.

Выводы ДИИТа подтверждались опытом эксплуатационной работы Южно-Уральской,

Куйбышевской и Западно-Сибирской железных дорог, где имели место сходы поездов из порожних полувагонов.

По результатам неоднократных рассмотрений таких сходов на заседаниях экспертной комиссии, а также анализа экспериментальных исследований ДИИТа с целью обеспечения безопасности движения в 1995 г. приказом Укрзал1знищ было введено ограничение скорости движения поездов с порожними вагонами до 70 км/ч.

В 1999-2002 гг. в ДИИТе проводились комплексные исследования с целью подготовки приказа по нормам допускаемых скоростей движения подвижного состава на железных дорогах Украины. В рамках этой работы были проведены теоретические исследования по определению допускаемых скоростей движения четырехосных грузовых вагонов на тележках 18-100 (ЦНИИ-Х3) на основе математического моделирования [6]. Моделировалось взаимодействие порожних и груженых четырехосных грузовых вагонов и железнодорожного пути при движении по прямым участкам пути и в кривых радиусом 300 и 600 м. Диапазон исследуемых скоростей движения вагонов 30. 90 км/ч с интервалом 20 км/ч.

В качестве возмущений использовались горизонтальные и вертикальные неровности рельсовых нитей, которые были получены путем двукратного интегрирования соответственно горизонтальных и вертикальных ускорений букс грузового вагона.

Теоретические расчеты выполнялись на ПЭВМ с помощью математической модели, разработанной в ДИИТе [7-9] для выбранных типов вагонов. Экипаж рассматривался как многомассовая нелинейная система, состоящая из 11 твердых тел (кузова, двух надрессорных балок, четырех боковых рам тележек и четырех колесных пар), с жесткими и упруго-фрикционными связями между ними, движущаяся по инерционному упруговязкому пути. Общее число степеней свободы составило 72.

Для исследования были выбраны различные модели грузовых вагонов, обращающихся на сети железных дорог Украины, отличающиеся

длиной базы, массой и положением центра тяжести кузова [10-13].

На основании этих исследований было установлено, что скорость движения в прямых участках пути груженых вагонов может составлять до 90 км/ч. В то же время расчет, проведенный для вагонов в порожнем состоянии, показал, что возможна потеря запаса устойчивости против вкатывания гребня колеса на головку рельса при скорости движения выше 55 км/ч в зависимости от типа исследуемого экипажа [6].

Типы исследованных вагонов и их характеристики в порожнем состоянии приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения моментов инерции порожних грузовых вагонов и расстояний от центра масс вагона до уровня головки рельса

Модель вагона Длина базы, м Масса, т Моменты инерций, т-м2 Положение центра масс 2с, м

I, 1у I,

Крытый вагон 11-217 10,00 24,7 48,10 355,47 346,82 2,29

Крытый вагон 11-280 12,24 26,0 53,10 488,11 478,75 2,31

Полувагон 12-4004 15,69 30,0 53,10 1001,64 925,44 2,06

Полувагон 12-726 8,65 22,0 28,58 268,02 277,33 1,79

Цистерна 15-1443 7,80 23,2 32,20 182,91 175,43 2,23

Цистерна 15-884 11,50 31,3 53,10 488,11 478,75 2,31

Хоппер 20-4015 7,78 25,0 36,28 161,92 169,10 1,99

Хоппер 20-480 5,87 22,0 28,70 80,96 85,91 1,72

Определение допускаемых скоростей движения вагонов выполнялось на основе сравнения динамических показателей и непогашенных ускорений, действующих на кузов вагона в кривых, с рекомендуемыми и допускаемыми значениями [14-16].

Допускаемая скорость движения экипажа определялась на основании оценки устойчивости против вкатывания гребня колеса на рельс по значению коэффициента устойчивости Куст,

поскольку для порожних вагонов этот показатель дал наиболее жесткие ограничения. При оценке результатов исходили из того, что запас устойчивости колеса от вкатывания на головку рельса обеспечен, если вероятность появления значения Куст в диапазоне до 1,3 не превышает

0,001. Действующие в настоящее время допускаемые величины коэффициента устойчивости

[ Куст ] < 1,3 приведены в [15].

В данной статье рассматривается влияние на устойчивость против вкатывания колеса скорости движения и характеристик экипажа.

На рисунках 1, 2 приведены зависимости коэффициента устойчивости набегающего колеса первой колесной пары от времени для порожнего полувагона с базой 8,65 м (модель 12-726) в прямых участках пути при скорости движения 70 км/ч (рис. 1) и 90 км/ч (рис. 2).

Из графика на рис. 1 видно, что при движении порожнего полувагона по прямой некоторые значения коэффициента устойчивости уже при скорости 70 км/ч опускается ниже нормативного значения 1,3. С увеличением скорости до 90 км/ч количество зон возможного вкатывания возрастает (рис. 2).

5 4

¡33

1 0

100

250

3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 20

;кор< >сть,

км/ч

30 40 :0 мм И=150 мм

50 60 70

80 90 100 — И = 60 мм -[Куст]

Рис. 1. Изменение коэффициента устойчивости набегающего колеса первой колесной пары порожнего полувагона с базой 8,65 м (модель 12-726) в прямых участках пути при скорости движения 70 км/ч.

4 3

ь

о

£ 2 1 0

100

250

о >

3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00

- -

с оро( ;ть,

м/ч

20 30 40 50 60 70 80 90 100 ^^~прямая —— — [Куст]

Рис. 3. Зависимость коэффициента устойчивости полувагона с базой 8,65 м (модель 12-726) от скорости в прямых участках пути

Рис. 4. Зависимость коэффициента устойчивости полувагона с базой 8,65 м (модель 12-726) от скорости в кривой радиусом 600 м

3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00

20 30 40 50 60 70

---И=0 мм —

И=150 мм _

- - -

с к > :рос ть, к

м /ч

80 90 100

-И=95 мм

-[Куст]

Рис. 2. Изменение коэффициента устойчивости набегающего колеса первой колесной пары порожнего полувагона с базой 8,65 м (модель 12-726) в прямых

участках пути при скорости движения 90 км/ч

Были проанализированы зависимости коэффициента устойчивости от скорости движения для всех исследуемых экипажей. Графики зависимостей для полувагона с базой 8,65 м приведены на рис. 3 при движении в прямой, на рис. 4 - в кривой 600 м при возвышении наружного рельса 0, 60 и 150 мм, на рис. 5 - в кривой 300 м при возвышении наружного рельса 0, 95 и 150 мм.

Рис. 5. Зависимость коэффициента устойчивости полувагона с базой 8,65 м (модель 12-726) от скорости в кривой радиусом 300 м

Анализ графиков (рис. 3-5) показывает, что у полувагона с базой 8,65 м ограничение скорости в прямой по коэффициенту устойчивости против вкатывания гребня колеса на рельс устанавливается при скорости 65.. .70 км/ч.

На рис. 6 приведен график для порожнего полувагона с длиной базы 15,69 м. Из графика видно, что при базе 15,69 м ограничение скорости из-за возможного вкатывания устанавливается при скорости 55 км/ч.

3.00 2.50 2.00

ЕЗ 1.50

>

1.00

0.50 0.00

с ;орОс ъ, км

20

30 40 "прямая

50 60 70

80 90 100 -[Куст]

Рис. 6. Зависимость коэффициента устойчивости порожнего полувагона с базой 15,69 м (модель 12-4004) от скорости в прямых участках пути

м

Из рис. 7-9 видно, что для крытого вагона с базой 12,24 м в прямой вкатывание возможно при скорости выше 65 км/ч, для хоппера с базой 5,87 м и цистерны с базой 7,8 м - при скорости выше 60 км/ч. На графиках приведены также зависимости коэффициента устойчивости от скорости в кривых радиусом 600 м при возвышении наружного рельса 60 мм и радиусом 300 м при возвышении 95 мм.

2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00

скор >сть,

м/ч

20 30 40 50 60 70

прямая 1^=600 И=60

80 90 100

--[Куст]

---13=300 И=95

Рис. 7. Зависимость коэффициента устойчивости крытого вагона с базой 12,24 м (модель 11-280) в прямых участках пути и в кривых радиусом 600 и 300 м

3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00

- - - — ' ;— —

ск орост ь, км

20 30 40 50 60 70 80 90 100

прямая

Р=300 мм И=95 мм

[Куст]

Р=600 мм И=60 мм

Рис. 8. Зависимость коэффициента устойчивости хоппера с базой 5,87 м (модель 20-480) в прямых участках пути и в кривых радиусом 600 и 300 м

Коэффициент устойчивости

3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00

— - — — —

с корос ть, км

/ч

20 30 40 50 60 70 80 90 100 "прямая -- _ [Куст] — Р=600 м И=60 мм---Р=300 м И=95 мм

Рис. 9. Зависимость коэффициента устойчивости цистерны с базой 7,8 м (модель 150-1443) в прямых участках пути и в кривых радиусом 600 и 300 м

Допускаемые скорости движения груженых и порожних вагонов, полученные в результате математического моделирования, представлены в табл. 2 для прямых участков пути, в кривых радиусом 600 и 300 м.

Таблица 2

Допускаемые скорости движения порожних вагонов

Допускаемые скорости движения, км/ч, в участках пути

Тип экипажа Прямая Кривая 600 м с возвышением, мм Кривая 300 м с возвышением, мм

0 60 0 95

Крытый вагон, модель 11-217 70 70 60

Крытый вагон, модель 11-280 65 70 60

Полувагон, модель 12-726 70 65 60

Полувагон, модель 12-4004 Цистерна, модель 15-1443 55 70 45 55 60 35 55 60

Цистерна, модель 15-884 70 70 60

Хоппер, модель 20-4015 75 70 60

Хоппер, модель 20-480 65 65 60

Согласно [2] даже, если значение коэффициента устойчивости против вкатывания колеса принимает значение ниже нормативного, это не означает, что сход колеса с рельса неизбежен. Для того, чтобы произошел сход время действия сил, при котором нарушено нормативное значение коэффициента устойчивости должно быть таким, чтобы колесо успело вкатиться гребнем на рельс.

При помощи модели были произведены расчеты, получены и проанализированы зависимости времени ¿возм вк, когда может произойти вкатывание гребня набегающего колеса на головку рельса, от скорости и типа экипажа. Под временем возможного вкатывания гребня колеса на рельс в данной статье подразумевается непрерывный интервал времени, в течение которого значение коэффициента устойчивости принимает значение ниже нормативного. На рис. 10-12 приведены фрагменты зависимости

ч

коэффициента устойчивости от времени для хоппера с базой 5,87 м (рис. 10), для крытого вагона с базой 12,24 м и для цельнометаллического полувагона с базой 15,69 м при движении по прямому участку пути. Фрагменты показаны в тех местах, где значение коэффициента устойчивости опускается ниже нормативного значения на протяжении наибольшего промежутка времени. Здесь же стрелками указаны участки возможного вкатывания колеса на рельс /возм вк на

уровне, соответствующем нормативному значению коэффициента устойчивости.

Куст 5.00

4.00

3.00

2.00

1.00

0.00

КОЭФФИЦИЕНТ УСТОЙЧИВОСТИ

1 J

) возм в к  1/

163

164

165

166

167 168 Расстояние

Рис. 10. Зависимость коэффициента устойчивости хоппера с базой 5,87 м в прямых участках при движении со скоростью 90 км/ч

Куст 3.00

2.00 1.00 0.00

)

4 1во >зм. вк 1 (

Г

158 159 160 161 162 163 164 165

Расстояние

Рис. 11. Зависимость коэффициента устойчивости крытого вагона с базой 12,24 м в прямых участках при движении со скоростью 90 км/ч

Куст 3.00

2.00 1.00 0.00

л 1в ззм.вв 1 1

ч

— «1— - — 1

158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168

Расстояние

Рис. 12. Зависимость коэффициента устойчивости полувагона с базой 15,69 м в прямых участках при движении со скоростью 90 км/ч

Анализ графиков на рис. 10-12 показывает, что с увеличением длины базы возрастает время возможного вкатывания гребня колеса на головку рельса. Так, для хоппера этот промежуток равен 0,03 с, для крытого вагона - 0,16 с, для длиннобазного полувагона - 0,27 с.

Были сделаны расчеты и проведен анализ времени возможного вкатывания гребня колеса на головку рельса для всех исследуемых экипажей при скоростях движения 50, 70 и 90 км/ч. Из всех значений времени возможного вкатывания для каждого из экипажей были выбраны максимальные значения. Результаты представлены в виде гистограмм на рис. 13-15.

Из анализа гистограмм видно, что при увеличении скорости и длины базы экипажа возрастает и время возможного вкатывания гребня колеса на рельс. Так, при скорости 90 км/ч в прямом участке пути при увеличении базы от 5,87 м (хоппер) до 15,64 м (длиннобазный полувагон) время вкатывания возрастает от 0,03 до 0,27 с, т. е. почти в десять раз. Аналогичная ситуация наблюдается и при движении экипажей в кривых участках пути.

Прямая

50 км/ч В70 км/ч Ш90 км/ч

0.30 -

0.25--

0.20--

0.15--

0.10--

0.05

0.00 г81 н81

(Ц

СО

о

Тип вагона и длина его базы, м

Рис.13. Время возможного вкатывания гребня колеса на головку рельса при движении экипажей по прямому участку пути

ф СО

0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00

Кривая 600 м

50 км/ч В 70 км/ч Ш 90 км/ч

Тип вагона и длина его базы, м

Рис.14. Время возможного вкатывания гребня колеса на головку рельса при движении экипажей в кривой радиусом 600 м

Кривая 300 м

50 км/ч В 70 км/ч  90 км/ч

0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00

*

Тип вагона и длина его базы, м

Рис.15. Время возможного вкатывания гребня колеса на головку рельса при движении экипажей в кривой радиусом 300 м

В течение времени возможного вкатывания гребень колеса не вкатывается на рельс, но колесо и не спускается обратно в колею, если по каким-то причинам началось всползание гребня. Сход происходит в течение 0,03... 0,08 с [4] под воздействием рамных сил значительно больших, чем те, что встретились при проведении расчетов.

Выводы

1. Скорость движения порожних вагонов следует ограничить величиной 60.70 км/ч -в зависимости от типа вагона и характера участка пути, по которому осуществляется движение в соответствии с табл. 2. При больших скоростях значение коэффициента запаса устойчивости колеса против вкатывания на головку рельса оказывается меньше допускаемой величины.

2. С увеличением длины базы вагона и скорости движения растет продолжительность отрезка времени, в течение которого коэффициент запаса устойчивости колеса принимает значения ниже допустимых.

3. Наиболее перспективным направлением дальнейших исследований представляется изучение неровностей железнодорожного пути на участках разных классов и моделирование поведения вагона на этих неровностях.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лазарян В. А. Динамика вагонов. - М.: Транспорт, 1964. - 240 с.

2. Вершинский С. В. Данилов В. И., Хусидов В. Д. Динамика вагонов. - М.: Транспорт, 1991. - 360 с.

3. Данович В. Д., Рыбкин В. В., Мямлин С. В., Рей-демейстер А. Г., Трякин А. П., Халипова Н. В. Определение допускаемых скоростей движения грузовых вагонов по железнодорожным

путям колеи 1520 мм // Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. -Д.: Вид-во Днiпроппетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. 2003. - Вип. 2. - С. 77-86.

4. Блохин Е. П., Пшинько А. Н., Коротенко М. Л., Рейдемейстер А. Г. О запасе устойчивости колеса против схода с рельса // Залiзничний транспорт Украши, 2002. - № 2. - С. 22-24.

5. Отчет по НИР «Комплексные экспериментальные исследования динамическх процессов в длинносоставных поездах из порожних полувагонов и динамической нагруженности пути с целью разработки рекомендаций, направленных на обеспечение стабильности пути на участке Макушино-Петропавловск ЮжноУральской железной дороги». ДИИТ. 1992 г. УДК 625.151.21:629.4.116. - 197 с.

6. Звгг за НДР «Норми допустимих швидкостей руху локомотивiв i вагошв по залiзничних колiях Украши шириною 1520 мм». Д11Т. 2002р. УДК 629.46.015/.016:625.03, № ДР 0102Ш03580, 330 с.

7. Данович В. Д. Пространственные колебания вагонов на инерционном основании: Дис. ... д-ра техн. наук: - Д., 1982. - 465 с.

8. Рейдемейстер А. Г.: Дис. ... канд. техн. наук: -Д., 2000. - 230 с.

9. Данович В. Д., Рейдемейстер А. Г., Халипова Н. В. Математическая модель взаимодействия пути и пассажирского вагона при движении по участкам произвольной кривизны // Транспорт: Зб. науч. пр. - Д.: Нова вдеолопя, 2001. Вип. 8. -С. 124-138.

10. Грузовые вагоны колеи 1520 мм железных дорог СССР. Альбом-справочник. - М.: Транспорт, 1989.

11. Грузовые вагоны железных дорог колеи 1520 мм. Альбом справочник 002И-97 ПКБ ЦВ. - М., ПКБ, 1998.

12. Цистерны. Устройство, эксплуатация, ремонт. Справочное пособие.- М.: Транспорт, 1990.

13. Пастухов И. Ф. и др. Вагоны. - М.: Транспорт, 1988.

14. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М.: Гос. НИИВ-ВНИИЖТ, 1996. - 319 с.

15. О нормах допускаемых скоростей движения подвижного состава по железнодорожным путям колеи 1520 (1524) мм: утверждено приказом МПС России № 41 от о 12.11.01.

16. Вериго М. Ф., Коган А. Я. Взаимодействие пути и подвижного состава / Под ред. М. Ф. Вериго. - М.: Транспорт, 1986. - 559 с.

Поступила в редколлегию 18.11.03.