Повышение надежности колесных пар электровозов ВЛ80

Профіль поверхні катання  колісних пар Львівської дороги із зменшеною товщиною гребеня, рівною 30 мм.

В депо обладнали три електровози  серії ВЛ80С. На одній секції встановлювали  колісні пари з профілем по кресленню 3 ГОСТ 11018-76, а на інший — колісні  пари з профілем МІІТ2. Пробіг електровозів склав 73, 75 і 85 тис. км. Знос гребеня коліс  на пробіг 10 тис. км склав 0,91 мм, а у коліс з профілем МІІТ2 — 0,89.

Випробовували тепловоз серії 2ТЭ10В. Порівнювали секції із стандартним  профілем коліс і з профілем коліс  МИИТ2. Середній знос склав відповідно 1,23 і 0,75 мм на 10 тис. км. Стандартні профілі коліс 2 ГОСТ 11018 і профілі МИИТ2 середній знос гребеня колісних пар був рівний відповідно 1,18 і 0,76 мм на 10 тис. км. Профілі коліс Зінюка-Никітського порівнювали із стандартними і мали приблизно такий же знос гребенів (Рисунок1.17).

Інтенсивність зносу гребенів тепловозів 2ТЭ10В значно зростала в  осінньо-зимній період року. Це можна  пояснити підвищеним ковзанням коліс, оскільки в цей час на поверхні рейок часто утворюються сніг, крига, іній.

Профіль 3 ГОСТ 11018-76 не забезпечив передбачуваних якостей у зв'язку з особливістю сучасної рейкової колії, що має порівняно велику подуклонку 1:20. У незношеної рейки немає перехідної поверхні закруглює від головки  до викружки. Відстань між серединами головок рейок на 12 мм більше відповідно відстані між серединами коліс. Тому точка контакту колеса з рейкою при центральному положенні колісної пари в колії 1520 мм зміщена на межу ділянок з уклонами 1:20 і 1:100. Ділянка з малим уклоном при русі колеса в прямих не працює.

Розрахунки показують, що незношений профіль коліс по кресленню 3 ГОСТ 11018 створює колісним парам  локомотивів кочення без прослизання (одноточечний контакт) при нормальній ширині колії 1520 мм тільки в кривих радіусом більше 2000 м. При русі колісної пари в кривих меншого радіуса відбувається ковзання по рейці в подовжньому напрямі з контактом в двох точках поверхні круга катання. Поперечне прослизання приводить до вироблення по поверхні катання канави на відстані приблизно 100 мм від зовнішньої грані колеса. Разом з цим відбувається підріз гребенів колісних пap.

Експлуатаційні випробування різних профілів на дорогах з великим  числом кривих ділянок колії показали, що менший знос мають електровози  і тепловози з конічним профілем коліс, у яких конусність в області круга катання 1:5 і товщина гребеня 29—30 мм.

Нові профілі коліс, що володіють більшій конічностю поверхні катання і меншою товщиною гребеня, забезпечують необхідну величину сумарного  зазору між робочими гранями гребенів коліс і внутрішніми гранями  рейок. Збільшення розгону в рейковій колії полегшує вписування візків, усуває ковзання коліс і зменшує  інтенсивність зносу гребенів при  русі локомотива на ділянках з великим  числом кривих.

 

2 Розробка оптимального профілю колісних пар локомотивів

 

Профіль колеса або рейки  повинен, природно, розглядатися як єдине  ціле, проте, оскільки на поверхні катання  і гребені умови та результати контактної взаємодії істотно відрізняються

 

2.1 Оптимальний профіль поверхні кочення

 

Будь-яка кінематична  пара після закінчення перехідних процесів набуває стійку форму природного зносу. Оскільки колесо має поверхню кочення більш широку, ніж рейка, то з часом при нормальному  зношуванні на поверхні кочення колеса утворюється сегментообразна западина. Зовнішній край западини при кочення  колеса по внутрішньому рейці в кривій з ¬ нашивається або мнеться, утворюючи спочатку наплив на фаску, а потім і на зовнішню грань  колеса. Наплив на зовнішню грань вважається дефектом і вимагає обточування.

Напівкругла виїмка, що утворювалася раніше на поверхні катання при взаємодії  колеса з рейкою і колодкою, змінювала  профіль робочої поверхні колеса,створюючи  в зоні переходу від поверхні кочення  до гребеню (зона викружкі) профіль  зі змінним профільним радіусом (профіль  викружкі приробитися колеса був  близький до еліптичному,см.профіль 3 на рис. 1.3). Реальна товщина гребеня  колеса при утворенні сегментообразної виїмки на поверхні катання збільшується. При вимірі «абсолютним» шаблоном, це (рис. 2.1, а) це збільшення не фіксується, оскільки він вимірює товщину  гребеня на відстані 18 мм від його вершини і не дозволяє оцінювати  реальну зміну товщини гребеня  у міру наросту прокату. Введений в 1992 р. Рис. 2.1. Форма природного «універсальний»  шаблон (рис. 2.2, б) зносу циліндричних роликів вимірює товщину гребеня  на відстані 13 мм від поверхні катання. У міру наростання прокату при  нормальному зношуванні колеса виміряна цим шаблоном реальна робоча товщина гребеня повинна збільшуватися. На жаль, в даний час прокат коліс відсутній і переваги такої методики вимірювання товщини гребеня не реалізуються.

 

Рисунок 2.1 – Шаблони: а  – абсолютний, б - універсальний

 

На рисунку 2.2 представлені усереднені профілі вітчизняних  коліс вантажних вагонів, отримані за сірчаним відбитками поперечних темплетів  коліс, що надсилалися на дослідження  під ВНИИЖТ в різні роки, і американських, отриманих із знімків, зроблених  в депо Чикаго в 2000 р.Звертає увагу  те, що на дорогах з великим ресурсом коліс усереднений профіль поверхні кочення увігнутий (рис. 2.2, профілі  і та 3), а з невеликим - конічний (рис. 2.2, профіль 2).

Профілі коліс, близькі до природно зношеному, пропонувалися  і постійно пропонуються у багатьох країнах (в основному для міського транспорту, оскільки на ньому простіше впровадження).У Франції 

1 – СРСР, 1985р. кут нахилу  гребня β=67⁰, 2 – Укрзалізниця 2005р. β=66⁰, США 2001р. β=80⁰

Рисунок 2.2 – Зношені профілі  коліс вагонів

 

зареєстровано патент бандажа  з увігнутим профілем поверхні катання, еліптичної викружкі і вертикальним гребенем для зниження зносу (рис. 2.3). Близький профіль запропонований канадцями (рис. 2.4).У Японії для високошвидкісних ліній Shinkansen, що мають кілька кривих радіусом 400 м, спроектували увігнутий  профіль колеса (an arc wheel profile), з тим  щоб зробити рух більш стійким  як на прямих, так і в кривих і  мінімізувати бічний знос.

 

 

Рисунок 2.3 – Профіль бандажа (французький патент 1919р.) з вогнутою поверхнею кочення, еліптичною викруткою  та вертикальним гребенем

 

Рисунок 2.4 – Взаємозв’язані профілі колеса та рейки, які спроектовані для візка, що сам встановлюється для міського транспорту

 

Граничний вертикальний знос коліс і рейок обмежується 5-10 міліметрами. Однак оскільки колесо ширше і товщі рейки, то граничний  знос колеса лімітується зміною форми  і в принципі не може бути більше деякої величини,в той час як граничний  знос рейки лімітується тільки його розмірами (міцністю) і може бути як завгодно великим при достатній  товщиною рейки (природно, якщо рейок  досить твердий для того, щоб зміна  форми здійснювалося за рахунок  відділення продуктів зношування,а  не за рахунок пластики).Це треба  враховувати при проектуванні обсягу вантажоперевезень і відносної  зносостійкості коліс і рейок.

 

2.2 Оптимальний профіль гребеня

 

Величина експлуатаційного кута зісковзування (не треба плутати  з кутом природного, або рівноважного, профілю, який в експлуатації ніколи не досягається) залежить від ряду факторів:

 • вихідних кутів  нахилу гребенів і БПР; 

• співвідношення їх швидкостей зношування і, отже, від абсолютні  значення та співвідношення їх твердість;

 • частоти заміни  та перепрофілювання коліс і  рейок; 

 • інтенсивності вантажоперевезень; 

 • співвідношення  вантажних і пасажирських перевезень  і ін 

У цей час різниця між  кутами нахилу бічної поверхні нового рейки і гребеня нового колеса складає 35-37 °. Після впровадження гарту  рейок більш м'які колеса стали  швидше прироблюватися до нових рейках, набуваючи кут нахилу 70-90 °.Здавалося  б, що це чисто позитивний момент. Але  зі збільшенням кута нахилу гребеня  різко скорочується вірогідність виникнення задирів бічних поверхонь і сходу  складу з рейок.Якщо б їх залишили прірабативаться далі, а ті колеса, і рейки поступово набули б  профіль, близький до рівноважного.Але  це тоді назвали неприпустимим і  з міркувань безпеки проходження  стрілочних переводів в інструкцію з огляду колісних пар був внесений дефект - вертикальний підріз гребенів. На підставі статистичних даних кут нахилу гребенів було запропоновано обмежити величиною 71°. Виходить, що колеса прагнуть припрацюватися до рейок, а їх примусово переточують, змушуючи рейки припрацьовуватися до профілю нового колеса. У результаті установлюються експлуатаційний кут зісковзування, близький до вихідного куті нахилу гребенів коліс, але дуже далекий від рівноважного, внаслідок чого знос виявляється в кілька разів більшим, ніж при природній рівновазі [8].

У 1992 р. вимоги до кута нахилу гребенів посилили, запровадивши так  званий параметр крутизни гребеня qR і  обмеживши його величину значенням 6,5 мм. Параметр qR - це відстань, що вимірюється  між двома точками зовнішньої поверхні гребеня, одна з яких знаходиться  в 2 мм від вершини, а інша - в 13 мм від кола катання колеса (рис. 2.6.). Цей параметр, на думку авторів, є  комплексним і характеризує зміни  форми і розмірів гребеня і  всього профілю поверхні кочення  колеса, пов'язані зі зносами в  процесі експлуатації. Ця проблема вирішується зміною конструкції  стрілочних переводів та збільшенням  кута нахилу і твердості гребенів (на твердому гребені гострий накат  не з'являється, оскільки він зношується за рахунок відділення продуктів  спрацювання, а не за рахунок пластики), що і було зроблено в США та Канаді,де збільшили твердість коліс і  довели вихідний кут нахилу гребеня  до 75°.

На сучасних стрілочних переводах  кінець вістряка захований під рамну  рейку і не зношується (рис. 2.5, б). Ділянка вістряка довжиною 2-2,5 м, контактує  з рейкою бічною поверхнею, в результаті зношування набуває кут зісковзування 60 - 65 °, що, враховуючи можливість великої  кривизни цієї ділянки, становить підвищену  небезпеку. Від вкочування на дотепник і сходу перший колісна пара ті ¬ лежання утримується тильною  стороною протилежної вістряка, що грає роль контррейки. Друге колесо колісної пари впирається в неї внутрішньої  стороною, як у контррейки. Якщо б  бічна поверхня вістряка зношувалася під кутом 75 - 80 °, безпеку руху тільки збільшилася б.

1 - рамний рейок; 2 – вістряк; 3 - колесо

Рисунок 2.5 – Схема взаємного  розташування деталей (а) та     фотографія (б) стрілочного переводу в зоні вістряка

 

У порівнянні з «вертикальним  підрізом гребенів» вимогу q_R>6,5 в кілька разів посилює контроль кута нахилу гребенів і в умовах підвищеної твердості коліс і рейок призводить до різкого збільшення частоти обточувань коліс і шліфування рейок, що відразу ж відчули експлуатаційники. З точки зору трибології обмеження q_R>6÷6,5 збільшує ймовірність сходів, призводить до виникнення задирів, підвищує швидкість бічного зносу, розтягує припрацювання колісно-рейкової пари на весь термін служби, інтенсифікує КУП і знижує ресурс коліс і рейок, тобто .являється абсолютно шкідливим для залізничного транспорту нововведенням. Сталий кут нахилу гребеня повинен виходити природним шляхом в результаті зношування. Неприпустимо примусово, шляхом обточек домагатися штучно встановленої величини кута нахилу, істотно відрізняється від природно зношеного профілю.

Коли твердість рейок  в середньому була 260 НВ, а коліс 240 НВ, раз-ница між вихідними кутами нахилу в 35 - 37 ° була оптимальною, і  приробітку займала мізерно малий  час. «Вертикальні підрізи гребенів», звичайно, були, але існували короткий час і рідко спостерігалися. Після  збільшення твердості рейок до 340 - 360 НВ і 300-700 HV (з урахуванням плазмового зміцнення) період прироблення і, відповідно, період катастрофічного зносу розтягнулися майже на весь період експлуатації. При збільшенні твердості рейок і коліс потрібно змінювати співвідношення кутів нахилу. У США та Канаді одночасно зі збільшенням твердості коліс і рейок збільшили кути нахилу гребенів з 70° до 75° [8, 9], що сприяло збільшенню безпеки руху і припинення катастрофічного бічного зносу. Усвідомлення того, що більша твердість, великі кути нахилу гребенів коліс і високі швидкості руху не тільки не збільшують бічний знос, але, навпаки, призводять до його зниження і в додаток до цього до зниження КУП коліс і рейок і збільшенню безпеки руху,в Росії просувається дуже повільно. Вже багато країн збільшили кути нахилу гребенів до 70° і вище, особливо на швидкісних залізницях. На Укрзалізниці ж вихідні кути нахилу гребенів практично залишилися без зміни: 60° - 67°. Профілі повинні бути уніфіковані на всьому рухомому складі і всій мережі залізниць, причому не тільки на нових колесах і рейках, але і на працюючих, а отже, повинні бути уніфіковані граничні знос, частота перепрофілювання, твердості коліс і рейок і швидкості руху. Весь рухомий склад і вся мережа залізниць повинні мати єдиний профіль коліс і єдині, конформні колісним, профілі рейок на прямих і криволінійних ділянках шляху. Виняток можуть становити тільки замкнуті маршрути, але навіть для замкнутих маршрутів доцільність встановлення особливих профілів викликає великий сумнів.

З практики передових країн  для твердість 350 - 400 Н V оптимальний  кут нахилу гребенів і БПР в  кривих, мабуть, дорівнює 75 - 80°. Такий  кут майже повністю запобігає  катастрофічний бічний знос і вкочування напрямних коліс на зовнішню рейку  в кривих, в той же час лише незначно підвищуючи втомний знос бічних поверхонь.

 

 

 

 

2.3 Роль конформності профілів в оптимізації системи «Колесо-рейка»

 

Ступінь конформності (або  зворотний їй показник - ступінь  неузгодженості) профілів є одним  з основних триботехнічних показників працездатності КРТ. Конформність - це ключ до проблеми пошкоджуваності контактних поверхонь коліс і рейок. За рахунок  застосування конформних профілів можна  значно знизити ймовірність виникнення катастрофічного бічного зносу  і різко зменшити або навіть повністю усунути КУП коліс і рейок. Розглянемо кілька прикладів впливу конформності профілів на пошкоджуваність  елементів КРТ.