Повышение надежности колесных пар электровозов ВЛ80

Як приклад, що показує  вплив неузгодженості профілів на знос і контактну втому, розглянемо результати спостереження за станом рейок в  одній з кривих R ~ 400 м ділянки  приміського сполучення Московської  залізниці (рис. 2.6, а). У липні 2003 р. в  кривій поклали нові рейки стандартного профілю. Поверхневий шар на них  почав швидко деформуватися і  стікати на бічну грань (рис. 2.6 б). Після того як гребінь увійшов  у контакт з БПР, почався задир (рис. 2.6, в). Потужна пластична деформація ви ¬ кликала викришування білих  плям на поверхні кочення (рис. 2.6, г). До лютого-березня 2004 р. до безперервному  задираку боковій поверхні ¬ ності (рис. 2.6, д) додалося вищербінообразованіе по косих уста ¬ лостним тріщинах (рис. 2.6, е). При терміні служби менше  одного року в травні 2004 р. рейки  були прошліфовані на новий профіль (мал. 2.6, ж). Після цього деформація поверхневого шару майже припинилася, білі плями перестали фарбувати (рис. 2.6, з). Однак знос все ще залишався  досить великим, хоча і значно знизився. У зв'язку з цим була застосована  мастило бічній поверхні, завдяки  чому після 2,5 року з моменту шліфування рейки все ще перебувають у  доброму стані (рис. 2.6, і).

а) – Загальний вигляд кривої; б) – 21.07.03; в) – 21.09.03; г) – 04.10.03; д) – 07.02.04; е) – 15.03.04) Ж) – 04.05.04.; з) – 04.05.05; и)—16.07.06

Рисунок 2.6 – Стан зовнішнього  рейка в кривій радіусом 400м на ділянці пасажирського руху

 

Тим не менш сліди задирака присутні, бічний знос значно перевищує  вертикальний, тому рейки будуть замінені по бічному зносу. Якщо б одночасно  з зраді ¬ ням профілю рейок  був змінений профіль і порядок  обточування коліс, то швидкості  бічного і вертикального зношування можна було б вирівняти.

Конформність профілів дозволяє значно знизити як бічний знос, так  і КУП навіть незалежно від  форми профілю. За рахунок чого ж  конформність дозволяє так сильно знизити  пошкоджуваність елементів КРТ.

Перший очевидний наслідок конформності - зниження контактних тисків. У результаті підробітки тиску знижуються в 10-20 разів.Але самі тиску не можуть настільки сильно вплинути ні на КУП, ні тим більше на бічній знос.

Другий важливий аспект, з яким асоціюється конформність - уніфікація профілів. Якщо всі колеса котяться по рейках однієї і тієї ж  колом, то очевидно, що виключається постійне передеформірованіе. Пластична деформація стає більш однорідною, швидко згасає і тим самим сприяє зниженню КВУ.

Третій наслідок конформності - зменшення елліпсності плями  контакту на бічній поверхні, скорочення шляху безперервного ковзання і  внаслідок цього скорочення вірогідності задирака.

Четверте наслідок конформності - зниження швидкості стирання поверхневих  плівок і коефіцієнта тертя на бічних поверхнях, що у свою чергу  знижує рівень пластики і пошкоджуваність.

Таким чином, конформність знижує не тільки контактні тиску по ¬  ня і сили тертя, але і неоднорідність пластичної деформації, що різко знижує рівень пошкоджуваності коліс і  рейок. Як випливає з даних, наведених  в 4-ї частини, якщо немає пластичної деформації, то немає і КВУ.У відсутність  пластичної деформації КВУ не розвиваються навіть при наявності на поверхнях  тертя термомеханічних ушкоджень. Гальмівні дефекти на поверхні катання  небезпечні лише в період підробітки, коли протікає інтенсивна пластична  деформація. Раніше гальмівних дефектів на поверхні катання було не менше, ніж в даний час. Але тоді період підробітки займав відносно невеликий  відрізок часу, порівняно швидко досягалася комформность профілів, пластична деформація припинялася і термомеханічні ушкодження та інші структурні неоднорідності поверхневого шару не приводили до зародження КВ-тріщин.

Основним критерієм КУ-пошкоджуваності  є не величина пластичної деформації, а її неоднорідність. Проблема полягає  в тому, що, по-перше, колеса рухомого складу не мають єдиного профілю, по-друге, через часте перепрофілювання та заміни коліс і рейок їх профілі  постійно змінюються і, по-третє,через звивистого русі на прямих ділянках колії і перекосной установки в кривих колеса першої та другої колісних пар візки котяться різними окружності. Для усунення звивистого руху на прямих ділянках колії потрібно, щоб шлях був якомога більш рівний, профіль поверхні кочення коліс увігнутий (arc profile), а візок як можна більш жорстка. Для усунення перекосної установки в кривих, тобто для того, щоб візок прийняла хордова положення, швидкість руху в кривих повинна бути трохи вище рівноважної.

Швидкість руху визначає установку  візка в кривій, тому вона пов'язана  з формою профілів і ступенем їх неузгодженості.

В експлуатації приробітку профілів коліс і рейок відбувається за рахунок пластичної деформації і  зносу. При постійних умовах пластична  приробітку профілів закінчується приблизно  через 105 циклів, або 300 км пробігу. Тривалість зносного припрацювання не перевищує 2000 км пробігу. До цих показників потрібно прагнути при проектуванні профілів елементів КРТ (припуски на прироблення  повинні бути такими, щоб профілі  стали конформними через 2000 км пробігу).

 

2.4 Встановлення візка в рейкової колії

 

2.4.1. Вплив конусності  коліс на установку візки 

 

Вважається, що колеса з конусностью 1:20 в поєднанні з подуклонкой  рейок створюють умови для  стійкого руху візка на прямих ділянках колії і вписування в криві.

Практика, однак, не узгоджується з цією теорією: на нормально функ-ціонірующіх  дорогах поверхні кочення коліс  в результаті процесів деформування і зношування досить швидко набувають  форми увігнутого еліптичного циліндра і зберігають її протягом всього екстаційний  періоду,але тим не менш рух візків не стає ¬ ся від цього менш стійким. Висловлювалася думка, що конусна форма колеса, навпаки, сприяє зниженню зчеплення коліс з рейками, інтенсифікації деформаційних і ізносних процесів, тобто нестабільного режиму експлуатації рухомого складу.

Розрахунок сил, що діють  на візок, і визначення її положення  в колії являє собою складну  триботехнічних задачу з багатьма невідомими. У цій області ще є безліч білих  плям.Так, у розрахунках звичайно апріорі приймається рівність коефіцієнтів тертя при рівності поздовжнього і поперечного прослизань, проте  до тих пір, поки не виконані експерименти, не можна стверджувати з упевненістю, що криві поперечного і поздовжнього Крипу ідентичні.

При вході візки в криву  на її першій колісній парі з конусними  колесами виникає пара сил тертя  в поздовжньому напрямку, створює  невеликий момент сил тертя. Розглянемо квазістатічес ¬ дещо рівновагу  моментів відносно точки О (рис. 2.7). Момент М [= IF прагне розвернути візок  у напрямку вписування в криву. Цьому  моменту протистоїть момент сил  тертя, що виникають на другий колісній парі візки у поперечному напрямку і перешкоджають її. Навіть якщо прийняти, що криві Крип при поздовжньому і поперечному прослизанні ідентичні, то поздовжнє прослизання коліс  першому колісної пари буде в два  з гаком рази більше поперечного  прослизаючиня коліс друге колісної пари.Візок буде розгортатися дуже повільно і навіть у пологих кривих рухатися не по синусоїді, а практично  по прямій до тих пір, поки не хильнути гребенем на викружкі рейки. Коли направляюче  зусилля перевищить сили тертя, перша  колісна пара зісковзує з викружкі, що і призводить до пилоподібного  руху або руху з постійним перекосом (з постійним кутом розвороту  візка).

Характер руху (пилкоподібну або з постійним перекосом) визначається жорсткістю візки, перекосом осей у  візку, профілем коліс і рейок, силами тертя на колесах, підп’ятнику, в  скользунах, гасителі коливань, а також  профілем колії в плані.

 

а) – сили, обумовлені конусністю коліс; б) – сили, обумовлені кривизною  колії при русі з рівноваженою швидкістю; в) - сили, обумовлені кривизною  колії при русі зі швидкістю менше  врівноваженої; г) – те саме з більшою  врівноваженої

Рисунок 2.7 - Схема сил, які  діють на візок в кривій

 

Ці характеристики можуть змінюватися в досить широких  межах, тому характер руху візків може сильно відрізнятися, що й спостерігається  на практиці.

Великий вплив на зчеплення  коліс з рейками і установку  візки надає вібрація. Вертикальна  і поздовжня вібрація колісних пар  знижує, особливо при великих швидкостях. Внаслідок цього навіть невелика конусность призводить до сповзання  колісної пари. Завдяки вібрації колесо, що має профіль поверхні кочення  у формі увігнутого еліптичного  циліндра, постійно сповзає на окружності катання, що сприяє досягненню стійкого руху. У зв'язку з цим профіль  поверхні кочення коліс для високошвидкісних поїздів намагаються робити увігнутим (arc profile,).

Таким чином, велика роль, приписувана  конусності коліс у створенні  умов сталого руху візка на прямих ділянках колії і вписування в  криві, представляється одним з  численних трибологічних міфів. Конусность коліс, що є в цей час  неодмінним атрибутом проектування профілів, швидше за все, призводить лише до зниження ходових якостей візки, нестійкому рухсі колісних пар, підвищенню їх пошкоджуваності і додаткових енерговитрат.

 

2.4.2 Вплив швидкості руху на встановлення візка в кривих

 

Вплив швидкості поїзда на встановлення візка в рейкової колії  і бічний знос важко простежити, оскільки від швидкості залежать непогашене прискорення, перевалка  кузова, перерозподіл сил тертя на колесах і інших вузлах тертя, установка візка в кривій і  кут набігання,швидкість зношування мастильних плівок і коефіцієнт тертя,тривалість фази чистого ковзання і тип зношування гребенів.

Точного рішення задачі про  встановлення візка в колії в  даний час немає, оскільки, по-перше, не всі питання трибології ще вирішені і, по-друге, параметри рухомого складу і колії мають дуже великий  розкид, часто виходить за рамки  технічних вимог.Фактично в даний  час немає навіть наближених рішень, про що свідчить той факт, що теоретичні залежності бічного зносу від  швидкості і кута нахилу гребня виявляється  не відповідають дійсності і навіть прямо протилежними тим, які спостерігаються  в експлуатації. Найбільш реальна  математи чна модель візка належить, мабуть, А. Я. Когану. У цій моделі збільшення негативного непогашеного прискорення (зниження швидкості руху) призводить вже до збільшення кута установки візка в колії. Однак  те, що зміна швидкості зношування про ¬ виходить стрибкоподібно і  пов'язане з переходом від вільної  установки візка (гребені коліс  друге колісної пари не стикаються з боковими поверхнями рейок) до максимального  перекосу (друга колісна пара притиснута до внутрішнього рейки), є ,швидше за все, помилкою. Як показують експлуатаційні спостереження, візок ніколи не постає «в розпір» і перехід до катастрофічного  зносу не пов'язаний з упором другий колісної пари у внутрішній рейок.

 

2.4.2.1 Рух візка з рівноважною швидкістю

 

Навіть у пологих кривих візок рухається практично по прямій, поки гребінь направляючого  колеса не увійде в контакт із зовнішнім  рейкою. Яке положення займе візок  в кривій, якщо на неї буде впливати тільки направляє зусилля?Щоб відповісти на це запитання, розглянемо спочатку рух вантажу, який тягнуть за мотузку  з невеликою швидкістю (рис. 2.8).Очевидно, що, якщо вільний кінець мотузки  переміщати по окружності радіусом R, вантаж буде рухатися по колу радіусом RK, До якої сила тяги спрямована по дотичній. Відхилення вантажу в ту чи іншу сторону викличе  появу бічної сили, що повертає вантаж на дотичну коло. Радіус дотичній кола дорівнює R = (R2T - Р) "2, а зазор між  вантажем і зовнішньої кривої дорівнює A = R-R = R, - (R2-P) U2. 4 I р 

Рисунок 2.8 –Направлення сил, що рухаються в кривій

 

Аналогічним чином буде поводитися двоколісний візок. Якщо перше колесо двоколісної візка під дією направляє  зусилля YA переміщається по колу радіуса R_U, то на друге колесо буде діяти повертаюча сила, яка зміщує його на дотичну окружність того ж радіуса.

 

Рисунок 2.9 – Залежність від радіусу кривої поздовжнього та поперечного прослизання від  кривизни колії

 

На чотириколісний візок, що направляє колесо якої рухається  по колу радіусом R, також будуть діяти  повертають сили, утримуючи задні  колеса візка на дотичних колах.

Поперечні зв'язку між внутрішніми  і зовнішніми колесами створюють  сили тертя F, F, F5, F6, що діють на обидві колісні пари і зумовлені різницею шляхів, прохідних колесами по зовнішньому  і внутрішньому рейках, тобтозумовлені подовжнім прослизанням П "= I JR ~ де - відстань між рейками. Момент цих  сил розгортає візок у бік  збільшення кута набігання на кут  у2 = у. Цей же момент де ¬ формує візок (параллелограммірует), внаслідок чого кут набе ¬ залягання першої осі  ун збільшується на кут перекосу колісних пар у візку у = у. Таким чином, під дією сил, обуслов ¬ лених  подовжнім прослизанням, кут набігання  першого колеса візка на зовнішню рейку стає рівним у = Y, + Y2 + Уу Сили F3, F, F, F6 і кути у2 + уз взаємопов'язані  і залежать від навантаження і  коефіцієнтів тертя. Вони з'являються  тільки у візків з напресованими  колесами. Перенесення підшипників  з буксових вузлів під маточини коліс, тобто перехід на конструкцію  візки з нерухомими осями за типом  автомобільної усуває поздовжнє  прослизання і зменшує перекіс  колісних пар візки у кривої на кут у = у1 + у, -

На рис. 2.9 представлені залежності поздовжнього П "= I IR ~ IJR і поперечного  П1 = Y] ~ А / 'т ~ прослизань від радіуса  кривої для ідеальних вантажний, пасажирської та локомотивної візків з раз-блокованими колесами. У  кривих радіусом 200 м і більше векторна сума цих прослизань не перевищує 2%, тому коефіцієнт тертя / при розрахунку сил тертя слід визначати з  урахуванням кривої Крип. Оскільки невідомо, як міняється тонна форма  кривої Крипа при зміні зовнішніх  умов, зокрема у разі зміни напрямку прослизання, то поки для діапазону  прослизань від 0 до 2% можна приблизно  приймати / = (1 / 2) - (/ П), де / с - коефіцієнти  ¬ ною тертя ковзання; П - прослизання  у відсотках.