Влияние геометрических параметров железнодорожного пути на величину эквивалентной коничности колесной пары

УДК 625.35

Влияние геометрических параметров железнодорожного пути на величину эквивалентной коничности колесной пары

А. А. Киселев, Л. С. Блажко, А. С. Гапоненко, А. В. Романов

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9

Для цитирования: Киселев А. А., Блажко Л. С., Гапоненко А. С., Романов А. В. Влияние геометрических параметров железнодорожного пути на величину эквивалентной коничности колесной пары // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2019. - Т. 16, вып. 2. - С. 202-211. Б01: 10.20295/1815-588Х-2019-2-202-211

Аннотация

Цель: Определение зависимости эквивалентной коничности колесной пары от геометрических параметров рельсовой колеи (ширины колеи, подуклонки поверхности катания рельсов, формы поперечного профиля рельсов). Оценка влияния величины эквивалентной коничности колесной пары на уровень горизонтальных ускорений рамы тележки высокоскоростного подвижного состава. Методы: Использованы методы компьютерного и математического моделирования, методы математической статистики при обработке результатов эксперимента. Результаты: Получена зависимость эквивалентной коничности колесной пары от геометрических параметров рельсовой колеи. Определены причины появления повышенного уровня горизонтальных ускорений рамы тележки высокоскоростного подвижного состава. Практическая значимость: По результатам исследования выявлена необходимость учета параметра эквивалентной коничности при реализации высокоскоростного движения на железных дорогах России. Предложены методы приведения параметров эквивалентной коничности к параметрам эффективности.

Ключевые слова: Эквивалентная коничность, ширина колеи, подуклонка поверхности катания рельсов, профиль колеса, профиль рельса, горизонтальные ускорения рамы тележки.

Во всех странах существует практика периодического контроля динамики взаимодействия тележек высокоскоростного подвижного состава и пути. На железных дорогах Российской Федерации динамика тележек высокоскоростного подвижного состава «Сапсан» контролируется датчиками контроля устойчивости хода (КУХ).

Уровни срабатывания системы КУХ устанавливаются компанией «Сименс АГ» на основании рекомендации Международного союза железных дорог (МСЖД) в соответствии с требованиями Стандарта ШС-518 [1]. Стандарт нормирует максимальное одиночное ускорение рамы тележки в горизонтальной плоскости по условию безопасно-

сти, которое не должно превышать 11 м/с2. Однако Стандартом ШС-515 [2] для тележек с достаточно неупругим шарнирным сочленением букс колесных пар установлено иное значение ускорения рамы тележки в горизонтальной плоскости, равное 8 м/с2, которое можно применить при условии, что оно имеет место в более чем шести колебаниях, следующих друг за другом, при частоте этих колебаний в диапазоне от 4 до 8 Гц.

Стандартом ШС-518 также регламентируется среднеквадратическое значение ускорения рамы тележки в горизонтальной плоскости (скользящее среднее на базе 100 м), которое по условию устойчивости, т. е. для периодических гармонических колебаний в

диапазоне частот от 4 до 8 Гц, не должно превышать 5,5 м/с 2.

На вагонах с профилем колеса S3G, которые эксплуатировались на высокоскоростных поездах «Сапсан» на начальном этапе, число срабатываний системы КУХ было минимальным. Из-за появления и развития в процессе эксплуатации выщербин и выкрашиваний на поверхности катания колес данный профиль оказался неприемлем. После перехода на профиль колеса ВНИИЖТ-РМ-70 [3] был зафиксирован резкий рост срабатываний датчиков. Диаграмма количества срабатываний датчиков системы КУХ приведена на рис. 1.

С целью выявления причин срабатывания системы КУХ были произведены опытные поездки с измерением ускорений рамы тележки поездов «Сапсан» в горизонтальной плоскости прибором «Mactrack».

При следовании по I главному пути линии Санкт-Петербург-Москва на большей протяженности перегонов уровни горизонтального ускорения тележек на составах № 2-04 и 1-15 в среднем существенно не отличаются. Это подтверждается данными, приведенными

на рис. 2, где линии среднеквадратических отклонений практически совпадают.

Однако на ряде участков пути у состава № 2-04 уровень горизонтального ускорения тележки оказался в 2-4 раза выше, чем у состава № 1-15, что видно на рис. 3, где линии среднеквадратических отклонений расходятся.

Причиной срабатывания датчиков КУХ стало неблагоприятное сочетание ряда факторов, важнейшие из которых объединены в две группы, относящиеся к пути и подвижному составу.

Факторы первой группы: износ головки рельса, изменение подуклонки рельса и, как следствие, наклона поверхности катания, сужение колеи, волнообразный износ рельсов, неравномерная жесткость подрельсового основания.

Факторы второй группы: износ гребней и поверхности катания колес подвижного состава, изменение характеристик гасителей, демпфирующих поперечные колебания, аэродинамика подвагонного пространства, загрузка поезда.

2012 20U 20 М 2015 2016 2017 2Ü13

Годы эксплуатации

Рис. 1. Диаграмма количества случаев срабатывания датчиков системы контроля устойчивости хода ЭВС «Сапсан» на линии Санкт-Петербург-Москва: 1 - I главный путь; 2 - II главный путь

ЭВС № 2-04 ЭВС № 1-15

Рис. 2. Уровень горизонтальных ускорений тележки и среднеквадратических отклонений

на участке 304-305 км I главного пути

- ЭВС № 2-04

- ЭВС № 1-15

Рис. 3. Уровень горизонтальных ускорений тележки и среднеквадратических отклонений

на участке 198-200 км I главного пути

Воздействие этих факторов приводит к ухудшению плавности хода подвижного состава из-за увеличения сил инерции, возникающих из-за сложных колебаний кузова на рессорах и необрессоренных частей. В конечном итоге возникают интенсивные колебания виляния, в результате которых качение колес осуществляется по дискам разных радиусов.

В свою очередь, при движении колесной пары по рельсу проявляется дополнительная сила, направленная на преодоление горизон-

тальных неровностей. Именно она и служит источником критических поперечных ускорений тележки, рамных сил и распирающих усилий в рельсовой колее, что в конечном счете повышает риски интенсивного износа гребней колес и рабочей грани головки рельса [4].

Смещение колесной пары в поперечном направлении под действием горизонтальной силы приводит к изменению местоположения точек контакта на профилях колес, что вызывает изменение радиуса диска вращения

Рис. 4. Геометрические характеристики взаимодействия колесной пары с рельсовой колеей: е - расстояние между радиусами кругов катания колесной пары; Б - ширина рельсовой колеи; Ду - величина зазора между гребнем колеса и боковой гранью рельсов; г и г2 - радиусы дисков вращения колес; Дг - разница радиусов диска вращения колес

колеса. Радиус диска вращения и угол наклона колесной пары относительно оси пути меняются по мере того, как колесная пара смещается в поперечном направлении в пределах зазора между гребнем колеса и рабочей гранью рельса. Функция разности радиусов кругов катания колес Дг от величины поперечного смещения у (Дг = /(у)) - одна из основных характеристик эквивалентной конич-ности.

Эквивалентная коничность формируется на основе следующих параметров колесной пары и рельсовой колеи (рис. 4) [5]:

- ширина рельсовой колеи Б, расстояние между радиусами кругов катания колесной пары е, величина зазора между гребнем колеса и боковой гранью рельсов Ду;

- профили поверхностей катания колес и головок рельсов;

- радиусы кругов катания колес г1 и г2;

- наклон поверхности катания рельса;

- вертикальные неровности пути.

Для исследования влияния параметров эквивалентной коничности на динамику движения подвижного состава были определены зависимости параметров конично-сти от ширины рельсовой колеи, наклона и профиля поверхности катания головки рельса.

По результатам расчета эквивалентной коничности по формуле Клингеля [6] для профиля колеса ВНИИЖТ-РМ-70, рельса Р65 [7], расстояния между радиусами кругов катания колесной пары - 1580 мм, радиуса колеса - 460 мм, на интервале перемещения колеса - 3 мм была установлена зависимость величины эквивалентной коничности от ширины колеи и наклона поверхности катания рельсов (рис. 5).

Рассчитаем эквивалентную коничность в зависимости от среднего квадратического отклонения координаты поперечного смещения у = 1 мм и интервала усреднения, равного 3 мм, по формуле

Дг

2 у

Аналогичный расчет был выполнен для профилей колеса ВНИИЖТ-РМ-70 и рельса ШС60 (рис. 6) [8].

Анализ результатов расчетов позволил прийти к выводу о наличии явной зависимости величины эквивалентной коничности от значений ширины колеи и наклона поверхности катания рельсов. На рис. 5 и 6 видно, что при уменьшении ширины колеи и наклона поверхности катания рельса значительно увеличивается величина эквивалентной коничности. Данная ситуация весьма неблагоприятная, поскольку появляется гребневый контакт колеса с рельсом, увеличиваются частота поперечных колебаний колесной пары, горизонтальные силы в тележках подвижного состава и касательные напряжения в зоне контакта колеса и рельса.

По нормам МСЖД для скоростей движения до 250 км/ч эквивалентная коничность не должна превышать 0,3, что и видно на рис. 5 и

6. В случае необходимости обеспечения одноточечного контакта колеса с рельсом в зоне, близкой к оси симметрии рельса, значение эквивалентной коничности не должно превышать 0,2. В этом случае будет реализовано устойчивое движение подвижного состава со скоростями свыше 250 км/ч. Второе условие в полном объеме выполнено только для расчета с профилем рельса UIC60. Для расчета с профилем рельса Р65 условие не выполняется, когда величина подуклонки менее 1/20 и ширина колеи менее 1520 мм.

На эквивалентную коничность влияют и иные факторы, чем те, которые перечислены выше: вертикальные неровности пути, разница рельсовых нитей по уровню, различный наклон поверхностей катания левого и правого рельсов. С целью определения степени влияния этих факторов на величину эквивалентной коничности были проанализированы данные измерительной поездки, выполненной на линии Санкт-Петербург-Москва электропоездом «Сапсан» с установленной системой «Инфотранс-Веларо Rus». Резуль-

Рис. 5. Зависимость эквивалентной коничности от ширины рельсовой колеи и подуклонки поверхности катания рельсов для профилей колеса ВНИИЖТ-РМ-70 и рельса Р65

0,35

m

о

1512 1514 1516 1518 1520 1522 1524 1526 1528 1530 1532 1534 1536 1538 1540 1542 1544

Ширина колеи 5, мм

Подуклонка поверхности катания рельсов

-1/30 -1/28 -1/26 -1/24 -1/22 -1/20 -1/18 -1/16

Рис. 6. Зависимость эквивалентной коничности от ширины рельсовой колеи и подуклонки поверхности катания рельсов для профилей колеса ВНИИЖТ-РМ-70 и рельса ШС60

таты измерительной поездки приведены на рис. 7 и 8.

Анализ показал, что на участке 198-200 км I главного пути эквивалентная коничность в 1,4-1,5 раза выше допускаемого значения 0,3, установленного нормами МСЖД. На участке 304-305 км ее значения за исключением отдельных случаев находятся в пределах нормы. Эти данные хорошо коррелируются с результатами измерений горизонтального ускорения тележки состава ЭВС «Сапсан» № 2-04 на тех же участках, приведенных на рис. 2 и 3.

При превышении параметров коничности имеется высокий риск ограничения максимальных скоростей движения, снижение которых возможно за счет своевременного приведения профиля колеса к параметрам ремонтного профиля, а также выполнения выправочных работ и работ по мобильной обработке поверхности катания головки рельса [9].

С целью оценки влияния выправки пути и шлифовки рельсов на поперечную динамику тележек была проведена измерительная поездка, выполненная на ЭВС «Сапсан» № 2-04 (вагон № 8, тележка № 1).

На рис. 9 сопоставлены результаты измерительных поездок до и после выправки пути по участкам II главного пути с 596 по 598 км. Их анализ показал, что амплитуда горизонтальных ускорений тележки после выправки снизилась, а среднеквадратическое отклонение не превышает 1 м/с2.

Уменьшение амплитуды ускорений тележки подвижного состава в горизонтальной плоскости наблюдается и на участках после выполнения работ по шлифовке рельсов. На рис. 10 сопоставлены результаты аналогичных измерительных поездок до и после шлифовки по участку II главного пути с 18 км ПК7 по 20 км ПК10, где были выявлены случаи срабатывания системы КУХ. Их анализ показал, что уровень горизонтальных ускорений тележки скоростного поезда «Сапсан» снизился почти на всем протяжении участка, где была выполнена шлифовка рельсов. Среднеквадратиче-ское отклонение после шлифовки не превышает 1 м/с2.

Для улучшения динамики тележек высокоскоростного подвижного состава необходимо проводить профилактические работы по

Рис. 7. Величина эквивалентной коничности колесной пары, измеренная на участке 304-305 км I главного пути линии Санкт-Петербург-Москва электропоездом «Сапсан» с установленной системой «Инфотранс-Веларо Rus»

Рис. 8. Величина эквивалентной коничности колесной пары, измеренная на участке 198-200 км I главного пути линии Санкт-Петербург - Москва электропоездом «Сапсан» с установленной системой «Инфотранс-Веларо Rus»

ЭВС № 2-04

Рис. 9. Сравнительный анализ уровней горизонтальных ускорений тележки и среднеквадратических отклонений на участке 596-598 км II главного пути до и после выправки пути

Уюта* г:к|,п:ги}:т:: гыпраккн пути 13JG4.2G17 г.

ЭВС № 2-04

Рис. 10. Сравнительный анализ уровней горизонтальных ускорений тележки и среднеквадратических отклонений на участке18-20 км II главного пути до и после шлифовки рельсов

шлифованию поверхности катания рельсов, позволяющие устранять неровности поверхности катания и дефекты рельсов, в комплексе с проведением выправочных работ.

Приведение эквивалентной коничности к параметрам эффективности позволит понизить интенсивность бокового износа рельсов и гребней колесных пар, что, в свою очередь,

приведет к уменьшению затрат на мобильную обработку рельсов в пути и обточку колес, снизит рамные усилия в тележках подвижного состава и величину касательных напряжений, которые являются причиной зарождения дефектов контактно-усталостного характера [10].

Вышеизложенное доказывает, что учет параметров эквивалентной коничности колес-

ных пар на железных дорогах России жизненно необходим. Требуется, как можно скорее актуализировать нормативные документы, регламентирующие параметры взаимодействия пути и подвижного состава с внесением параметра «эквивалентная коничность» в перечень контролируемых.

Библиографический список

1. International Union of Railways (UIC). UIC CODE 518 : Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behavior -Safety - Track fatigue - Ride quality. - 2nd ed. - Paris : UIC, 2003. - April.

2. International Union of Railways (UIC). UIC CODE 515 : Passenger rolling stock - Trailer bogies -Running gear. - 2nd ed. - Paris : UIC, 2001. - April.

3. Максимов И. Н. Разработка профиля колес для скоростных поездов и прогнозирование его эволюции в процессе взаимодействия подвижного состава и пути : дис. ... канд. техн. наук, специальность: 05.22.07 / И. Н. Максимов. - М. : ВНИИЖТ, 2014. - 119 с.

4. Нирконэн В. Т. О влиянии конусности колесных пар на динамику движения подвижного состава / В. Т. Нирконэн // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2015. - № 2. - С. 29-31.

5. Киселев А. А. Эквивалентная конусность и ее влияние на движение подвижного соста-

ва / А. А. Киселев, Л. С. Блажко, А. В. Романов // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2017. - Т. 14, вып. 2. - С. 247-255.

6. International Union of Railways (UIC). UIC CODE 519: Method for determining the equivalent conicity. - 1st ed. - Paris: UIC, 2004. - December.

7. ГОСТ Р 51685-2013. Рельсы железнодорожные. Общие технические условия. - М. : Изд-во ВНИИЖТ, 2014. - 95 c.

8. DIN EN 13674-1-2011. Railway applications -Track - Rail - Pt 1. Vignole railway rails 46 kg/m and above. - German version EN 13674-1:2011. - Wien, 2011. -February.

9. Хартлебен Д. Обработка рельсов в пути по новой технологии / Д. Хартлебен // Путь и путевое хозяйство. - 2016. - № 6. - С. 37-40.

10. Лысюк В. С. Повреждения рельсов и их диагностика / В. С. Лысюк, В. М. Бугаенко. - М. : ИКЦ «Академкнига», 2006. - 638 с.

Дата поступления: 20.03.2019 Решение о публикации: 08.04.2019

Контактная информация:

КИСЕЛЕВ Артем Александрович - аспирант, zhdp10@gmail.com

БЛАЖКО Людмила Сергеевна - доктор техн. наук, профессор, blazhko@pgups.ru ГАПОНЕНКО Александр Сергеевич - канд. техн. наук, доцент, gaponenkoalexandr@mail.ru РОМАНОВ Андрей Валерьевич - канд. техн. наук, доцент, andrey.romanov@mail.com

Geometrical effects of the track on the size of the equivalent conicity of the set of wheels

А. А. Kiselev, L. S. Blazhko, A. S. Gaponenko, A. V. Romanov

Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation

For citation: Kiselev A.A., Blazhko L. S., Gaponenko A. S., Romanov A. V. Geometrical effects of the track on the size of the equivalent conicity of the set of wheels. Proceedings of Petersburg Transport University, 2019, vol. 16, iss. 2, pp. 202-211. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2019-2-202-211

Summary

Objective: To determine the dependence of equivalent conical shape of the set of wheels on geometrical parameters of the track (wheel gauge, canting of the running surface of rails, transverse rail profile

shape). To assess the influence of the size of equivalent conical shape for the set of wheels on the level of horizontal acceleration of the bogie frame of the high-speed rolling stock. Methods: The methods of computer and mathematical simulation as well as the methods of statistical theory were applied when processing the empirical data. Results: The dependence of equivalent conical shape of the set of wheels on geometrical parameters of the rail track was obtained. Appearance causes of the increased level of horizontal acceleration of the bogie frame of the high-speed rol-ling stock were detected. Practical importance: According to the research results the necessity of taking into account the equivalent conical shape for the high-speed running on Russian railroads was shown. The methods of bringing the parameters of equivalent conical shape to effectiveness parame-ters were given.

Keywords: Equivalent conical shape, wheel gauge, canting of the running surface of rails, rail profile, horizontal acceleration of the bogie frame.

References

1. International Union of Railways (UIC). UIC CODE 518: Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behavior - Safety - Track fatigue - Ride quality. 2nd ed. Paris, UIC Publ., 2003, April.

2. International Union of Railways (UIC). UIC CODE 515: Passenger rolling stock - Trailer bogies - Running gear. 2nd ed. Paris, UIC Publ., 2001, April.

3. Maksimov I. N. Razrabotkaprofilya koles dlya skorostnykh poezdov i prognozirovaniye ego evolyut-sii vprotsesse vzaimodeistviyapodvizhnogo sostava i puty [Rail profile design for high-speed trains and forecasting its evolution in the process of the rolling stock and track interaction]. Diss. .. .Cand. Eng., specialty: 05.22.07. Moscow, VNIIZhT Publ., 2014, 119 p.

4. Nirkonen V. T. O vliyanii konusnosty kolesnykh par na dinamiku dvizheniya podvizhnogo sostava [On the influence of conical shape of the set of wheels on the rolling stock dynamics]. Vagony i vagonnoye khozyaistvo [Cars and car services], 2015, no. 2, pp. 29-31.

5. Kiselev A. A., Blazhko L. S. & Romanov A. V. Ekvivalentnaya konusnost i yeye vliayaniya na dvi-zheniye podvizhnogo sostava [Equivalent conicity and its influence on the rolling stock]. Izvestia Pe-terburgskogo universiteta putey soobshcheniya [Proceedings of Petersburg State Transport University]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2017, vol. 14, iss. 2, pp. 247-255.

6. International Union of Railways (UIC). UIC CODE 519: Method for determining the equivalent conicity. 1st ed. Paris, UIC Publ., 2004, December.

7. GOST R 51685-2013. Relsy zheleznodorozh-niye. Obshchiye tekhnicheskiye usloviya [GOST R 51685-2013. Rails. General specifications]. Moscow, VNIIZhT Publ., 2014, 95 p.

8. DIN EN 13674-1-2011. Railway applications -Track - Rail - Pt 1. Vignole railway rails 46 kg/m and above. German version EN 13674-1:2011. Wien, 2011, February.

9. Hartleben D. Obrabotka relsov v puty po novoy tekhnologii [A new technology of rail processing]. Put i putevoye khozyaistvo [Track and track facilities'], 2016, no. 6, pp. 37-40.

10. Lysyuk V. S. & Bugaenko V. M. Povrezhde-niya relsov i ikh diagnostika [Rail damage and its preliminary treatment]. Moscow, IKTs "Akademkniga"

Received: March 20, 2019 Accepted: April 08, 2019

Author's information:

Artem A. KISELEV - Postgraduate Student, zhdp10@gmail.com

Lyudmila S. BLAZHKO - D. Sci. in Engineering, Professor, blazhko@pgups.ru Aleksandr S. GAPONENKO - PhD in Engineering, Associated Professor, gaponenkoalexandr@ mail.ru

Andrey V. ROMANOV - PhD in Engineering, Associate Professor, andrey.romanov@mail.com