Влияние триботехнического состояния колёс и рельсов на динамику движения грузового тепловоза в режимах выбега и тяги
На правах рукописи
ГАЛИЧЕВ Александр Геннадьевич ВЛИЯНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОЛЁС И РЕЛЬСОВ НА ДИНАМИКУ ДВИЖЕНИЯ ГРУЗОВОГО ТЕПЛОВОЗА В РЕЖИМАХ ВЫБЕГА И ТЯГИ Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Брянск – 2002 2
Работа выполнена на кафедре "Локомотивы" Брянского государственного технического университета.
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Михальченко Г.С.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Евст ратов А.С.
кандидат технических наук, доцент Шлюшенков А.П.
Ведущая организация – ОАО "Брянский машиностроительный завод".
Защита состоится 15 октября 2002 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертаци онного совета К 212.021.02 Брянского государственного технического уни верситета по адресу: 241035, г. Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7, ауд. 220.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брянского государст венного технического университета.
Автореферат разослан 12 сентября 2002 года.
Учёный секретарь диссертационного совета Реутов А.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одна из основных проблем современного локомо тивостроения – обеспечение высоких тяговых и динамических характеристик локомотивов, которые в основном определяются конструкцией экипажной час ти и триботехническим состоянием системы колесо – рельс.
В последние десятилетия с целью уменьшения силового взаимодействия и износа гребней колёс и рельсов в кривых велась целенаправленная и системная работа по внедрению новых профилей колёс и технологий смазывания гребней и рельсов. Это значительно снизило остроту проблемы выхода из эксплуатации рельсов и бандажей локомотивных колёс из-за повышенного износа. В то же время увеличилась контактно-усталостная повреждаемость колёс и рельсов.
Исследования динамики локомотивов и изнашивания гребней в большин стве теоретических и экспериментальных работ выполнялись на выбеге, а не под тягой, при контакте новых колёс, в том числе и с криволинейным профи лем, с новыми или мало изношенными рельсами и без смазывания.
Изучение динамики с точки зрения силового взаимодействия и изнашива ния гребней колёс локомотива в режимах выбега и тяги при различном трибо техническом состоянии системы колесо – рельс является актуальной задачей.
Цель и задачи работы. Целью работы является определение динамиче ских характеристик и показателей износа гребней колёс грузового тепловоза при различном триботехническом (очертания профилей и коэффициенты тре ния) состоянии системы колесо – рельс в режимах выбега и тяги.
Для достижения цели в работе ставятся и решаются следующие задачи:
1. Разработка математической модели нелинейных пространственных ко лебаний грузового шестиосного тепловоза при движении в прямых и кривых участках пути в режимах выбега и тяги.
2. Разработка методики компьютерного моделирования, включающей:
- создание путевой структуры;
- моделирование профилей колёс и рельсов;
- выбор показателей динамических характеристик и показателей износа;
- моделирование режимов выбега и тяги.
3. Определение динамических показателей локомотива методом компью терного моделирования и их сравнение с данными натурных испытаний.
4. Оценка влияния силы тяги на показатели динамических характеристик и изнашивание гребней колёс тепловоза.
5. Исследование движения тепловоза по пути со смазанными рельсами.
6. Анализ влияния геометрии профилей колёс и рельсов на динамику и показатели износа гребней колёс тепловоза.
7. Оценка результатов экспериментальных исследований влияния смазы вания колёс и рельсов на динамику локомотива.
Объектом исследований является серийно выпускаемый грузовой теп ловоз 2ТЭ116. Кроме того, для этого тепловоза, в своё время, был выполнен значительный объём динамических натурных испытаний и имеется большой опыт его эксплуатации.
Общая методика исследований. Тепловоз 2ТЭ116 представляется сис темой абсолютно твёрдых тел, связанных посредством голономных идеальных связей и безынерционных силовых элементов различных типов. Взаимодейст вие локомотива и пути осуществляется на основе сил контактного взаимодей ствия. Исследования динамики локомотива проводились с использованием спе циализированного программного комплекса UM Loco, разработанного совме стно проф. кафедры "Прикладная механика" Д.Ю. Погореловым, проф. кафед ры "Локомотивы" Г.С. Михальченко с д.т.н. В.С. Коссовым ГУП ВНИТИ. При моделировании учитывались параметры путевой структуры (неровности рель сов и макрогеометрия колеи). Случайные вертикальные и горизонтальные не ровности в прямых участках сгенерированы по заданным спектральным плот ностям. Горизонтальные неровности в кривых соответствуют замерам опытно го участка пути. Движение моделировалось в режимах выбега и тяги.
Научная новизна:
- разработана математическая модель пространственных колебаний гру зового тепловоза с учётом основных нелинейностей, присущих данному экипа жу, механической части привода колёсных пар, сочетания различных профилей колёс и рельсов, забега, изменения коэффициента трения в контакте;
- дана качественная и количественная оценка влияния силы тяги на дина мические характеристики и показатели износа гребней колёс локомотивов для двух типов профилей колёс: стандартного конического и ДМетИ;
- исследовано влияние смазывания рельсов на динамические показатели тепловоза и вскрыта причина значительного уменьшения бокового воздействия на путь локомотива при смазывании поверхности катания внутреннего рельса;
- установлены виды контакта колёс с рельсами (одноточечный или двух точечный), изучено силовое и фрикционное взаимодействие локомотива и пути для 9 сочетаний профилей колёс и рельсов, возможных в эксплуатации.
Достоверность научных результатов обеспечена:
- проверкой разработанной математической модели путём сравнения ре зультатов моделирования с данными натурных испытаний экипажа тепловоза ТЭ116, выполненных в ГУП ВНИТИ МПС с участием автора;
- сравнением с имеющимися в литературе экспериментальными данными;
- критическим обсуждением результатов работы в ГУП ВНИТИ МПС, на научно-технических, в том числе международных конференциях.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Получен ные результаты по оценке влияния силы тяги, смазывания, сочетания профилей колёс и рельсов на динамические характеристики и показатели износа грузово го локомотива приняты ГУП ВНИТИ для использования при разработке техни ческих требований на локомотивы нового поколения и мероприятий по пути и экипажу для уменьшения износа колёс. Разработанная математическая модель, методика и результаты исследований внедрены в учебный процесс.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 55-й научной конференции профес сорско-преподавательского состава БГТУ (1999 г.), на X Международной кон ференции (Украина, г. Днепропетровск, 2000 г.) и на международной научно практической конференции (Белоруссия, г. Гомель, 2001 г.).
На защиту выносятся:
1. Математическая модель пространственных колебаний грузового шес тиосного тепловоза при движении в прямых и кривых в режимах выбега и тяги.
2. Методика компьютерного моделирования движения локомотива.
3. Результаты исследований по оценке влияния на динамику тепловоза:
• силы тяги при контакте нового рельса со стандартным коническим и ДМетИ профилями колёс;
• смазывания рельсов;
• геометрии профилей колёс и рельсов.
4. Результаты экспериментальных исследований влияния смазывания ко лёс и рельсов на динамику локомотива.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объём диссертации. Работа включает введение, 4 главы, за ключение, библиографический список из 163 наименований и 3 приложения.
Общий объём диссертации составляет 195 страниц, включая 124 рисунка и таблиц в текстовой части.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности и описание цели работы.
Первая глава диссертации содержит общую характеристику состояния вопроса по теме диссертации.
Для формулировки целей и задач диссертации, выбора методов и направ ления исследований выполнен анализ работ в области взаимодействия экипажа и пути в горизонтальной плоскости, геометрии колёс и рельсов, смазывания.
Большой вклад в развитие исследований по взаимодействию подвижного состава и пути, по снижению износа колёс и рельсов внесли В.М. Богданов, А.И. Беляев, Ю.П. Бороненко, М.Ф. Вериго, И.Г. Горячева, С.М. Голубятников, А.Л. Голубенко, В.Д. Данович, Л.К. Добрынин, А.С. Евстратов, О.П. Ершков, В.Н. Иванов, В.Н. Кашников, К.П. Королёв, А.Я. Коган, А.А. Камаев, В.А. Камаев, М.Л. Коротенко, С.М. Куценко, В.А. Лазарян, М.А. Левинзон, В.Б. Медель, Г.С. Михальченко, Н.А. Радченко, Ю.С. Ромен, А.Н. Савоськин, Г.И. Петров, Т.А. Тибилов, В.Ф. Ушкалов, В.Д. Хусидов, В.Н. Шестаков, Ю.М. Черкашин, зарубежные учёные А. Виккенс, В. Гарг, Р. Жоли, И. Калкер, В. Кик, О. Креттек, Ф. Картер, Ф. Фредерих и другие.
Проблемы снижения силового воздействия подвижного состава на путь и износа колёс и рельсов всегда находились в центре внимания отраслевой и ака демической наук. Значительный вклад в решение этих проблем внесли и вносят учёные и специалисты таких организаций как ВНИИЖТ, ВНИТИ, ВЭлНИИ, МИИТ, БИТМ, ЛИИЖТ, РИИЖТ, Института проблем механики РАН и других.
Анализ работ показал, что смазывания колёс и рельсов рассматривается в основном с точки зрения их износа, а не влияния на их силовое взаимодействие.
Недостаточно полно освещена область знаний по применению различных про филей колёс, особенно для тягового подвижного состава. Недостаточно изучено также влияние на происходящие процессы в системе колесо – рельс силы тяги локомотива и степени износа рельсов.
Вторая глава посвящена обоснованию и разработке обобщённой матема тической модели пространственных колебаний грузового шестиосного теплово за, а также описанию методики компьютерного моделирования. Расчётная схе ма локомотива и схема действия сил в системе колёсная пара – путь примени тельно к колёсно-моторному блоку первой колёсной пары показаны соответст венно на рис.1 и 2. Пространственные колебания экипажа тепловоза ТЭ116 оп ределяются 78 обобщёнными координатами.
а) Левый рельс б) в) Рис.1. Расчётные схемы:
а, б – тепловоза с бесчелюстными тележками;
в – колёсно-моторного блока первой колёсной пары а) б) z z y o11 x 111 S111 o N N 112 T111 x y z Y F111 T y F112 B hr 112 x xF x A T111 b 2s z b y F111 x Y111 F111 г) в) z N N S y b111 z Y 1 Y y N 111 A x T A y y11 Y г x11 o Pд y F a д1 x S112 F an Рис.2. Схема действия сил в системе колёсная пара - путь В расчётной схеме, рис.1, приняты следующие обозначения систем коор динат для соответствующих масс m и моментов инерции J: i, j-ой колёсной па ры oij, xij, yij, zij ;
i-ой рамы тележки oi+, xi+, yi+, zi+ ;
кузова o*, x*, y*, z*.
Уравнение продольных колебаний кузова [( ] ) ( ) m* &&* + c* + 4 c* xшi + k * + 4 k * xшi W (V ) = 0, x & xш x xш x i = ( ) xi+ h* h* i+ - деформация упругих элементов связи * h* * где xшi = x y y кузова с тележкой в продольном направлении;
W (V ) - сопротивление движению поезда.
Уравнение относа кузова ( ) m*V 2 22 h m* && + c* f yш (yшi ) + 2 c* yoi + k* yoi * + m* g r = 0, y & yш y y 2s i =1 = i = где f уш (yшi ) - нелинейная функция типа "зона нечувствительности", учиты * вающая наличие зазора ш между шкворнем и упругим упором.
( ) yшi = y* + h* * + a* * yi+ + h* h* i+ aшi i+ ;
+ y шi y + (h h ) ai+ i + ;
yoi = y* + h* * + a* * yi+ + * * y i y i = 1, 2 – номер комплекта опор кузова;
- текущая кривизна пути;
hr - текущее возвышение наружного рельса.
Уравнение подпрыгивания кузова ( ) m*V 2 hr m && + 2c z zoi + 2k z zoi ** * * =0, z & 2s i =1 = где zoi = z* a* i* zi+ + ani i+.
+ i Уравнение галопирования кузова [(c* + 4 c* )xшi + (k * + 4 k * )xшI ] J * &* h* y& & y xш x xш x i = a* (c* zoi + k * zoi ) +W (V )hc = 0.
2 2 * z& i z i =1 = Уравнение виляния кузова a* (c*y yoi + k * yoi ) + 2 2 J *&* + a* c* f yш (y шi ) + * z& y& шi yш i i =1 = i = ( ) [ ( )] )+ ( ( ) 2 2 * i+ * i+ + М 0 * i+ + J * = 0, + 2 b c* * K* & & x x z i =1 =1 i = где - угловое ускорение экипажа в кривой переменной кривизны;
( ) М 0 * i+ - нелинейная зависимость момента в опорах кузова.
Уравнение боковой качки кузова + h* c* f yщ (yiш ) + J * * * && x y yш i = () ( )() ( ) 2 + 2 h* c* yoi + h* k* yoi + b* c* * i+ + b* k* * i+ = 0.
2 & & & yy yy z z i =1 = Продольные колебания рамы i-ой тележки ( ) ( ) m + &&i;+ c* + 4 c* xшi k* + 4 k* xшi + + + 2cx xij = 0, x & xш x xш x j = + xi+ + i+ xij= h xij.
где Вертикальные колебания рамы i-ой тележки ( )+ ( ) m*V 2 hr 2 m + &&i;+ + + + 2 Fz+ signzij &+ 2 c* zoi + k * zoi п 2c z zij + Q zij = 0, z z& z 2s =1 j = Fz+ &+ - сила трения фрикционных гасителей колебаний;
signzij - нелинейная где функция фрикционного трения по Кулону;
zij = zi+ aкij i+ zij ;
Qzij - уси + + n лие в подвеске тягового двигателя на раму тележки (моделируется нели нейной функцией), с учетом преднатяга пружин и зазора п.
Поперечные колебания (относ) рамы i-ой тележки ( )+ m + &&i;+ c* f yш (yшi ) 2 c* yoi + k * yoi + y y& yш y = [ )] () ( m +V 3 hr 2c + f б + &+ + m+ g п yij + µ пQzij sign yпij + =0, y 2s j = ()+ где f б yij - нелинейная функция типа "зона нечувствительности";
yij = yi+ + h +i+ + akij i+ yij ;
+ + yпij = yi+ + aпij i+ + hп i+ yij + aпд ij + hп ij.
&+ + +& & & & & & () + Функция f б yij учитывает поперечный зазор в буксовом узле между осью и крышкой буксы, который может быть до 14 мм, учитывается и действие трения при перемещении роликов подшипников буксы по внутреннему кольцу.
Галопирование рамы i-ой тележки )[(c ]+ ( ) ( ) J y i+ h* h* + * + 4c* xшi + k * + 4k * xшi && & y xш x xш x ( ) 2 ( x ) a 2 3 + 2 ai+ ++ + + a kij Fz+ + + h +cx + + c* zoi + k * zoi п a kij c z zij = 0.
пij Q zij z& z ij =1 j =1 j = Виляние рамы i-ой тележки J z &i;+ aшi c* f yш (yшi ) + + * & yш [ ] () ( ) ( )2 ( )+ 2 2 ai+ c* yoi + ai+ k * yoi + 4 b* c* * i+ + 4 b* k * * i+ x& & y& y x = 2a kij c + f (yij ) + 2(b + ) ( i+ ij )c x + µ пQ zij a пij signy пij + J z+ 3 + + + п+ &+ + = 0, y j = где µ п - коэффициент трения в паре носик тягового электродвигателя – травер са подвески.
Боковая качка i-ой рамы тележки ( ) ( ) (c*y oij + k*y &oij; ) J x i+ + h* h* c* f yш (yшi ) + 2 h* h* + * y yш y = ( ) [c*z ( * i+ )+ k *z (& * &i;+ )]+ [2h + c + f б (yij+ )+ hп+ µ пQzij signyпij ]+ 2 *2 п 2b & y =1 j = () + 2 b + c z ( i ij ) + bг+ Fz+ sign ( i ij ) = 0.
2+ & & i =1 Ниже приведены уравнения колебаний колёсно-моторного блока приме нительно к первой колёсной паре.
Продольные колебания колёсно-моторного блока [F11m + T11m ] 2c x x11 = 0.
+ + x x mб && x m = Поперечные колебания колёсно-моторного блока [F11m + Y11m + ( 1) ]+ m y y mб &&11 + mд aд1&11 N11m sin 11m y & m = ( ) () mб V hr + µ п Q z11sign y п11 2c + f y &+ + п + mб g = 0, y 2s где mб - масса колёсно-моторного блока;
mд - масса тягового двигателя.
Вертикальные колебания колёсно-моторного блока (N11m cos 11m + T11m Y11m ) 2cz+ z11 Qzп11 + Pст = 0, + z z mб &&11 mдaд1&д z & m = где Pст - статическая нагрузка от колёсной пары на рельсы.
Виляние колёсно-моторного блока )[ ] ( )( J z&11 + mд aд1 &&11 F112 F111 s T112 T111 s + b11m ( 1)m x x x x y y & 2(b ) c ( 11 ) µ п Q z11 signy п11 J z + mV +2 + + &+ y yx x п Y112 b112 + Y111b111 a д1 = 0, x где aд - расстояние от оси колеса до центра масс колёсно-моторного блока.
Боковая качка колёсно-моторного блока ( ) J x&11 + ( N 112 cos 112 N 111 cos 111 )s + F111 + F112 r + y y & + Y111 (r + b111 ) Y112 (r + b112 ) + (Y112 Y111 )[s + b11m ( 1)m ]+ y z y z z z y + (N 111 sin 111 N 112 sin 112 )r + )[ ] ( () ( ) + T112 T111 s + b11m ( 1)m + µ п Q z11hп sign(y п11 ) 2 b + c z 1+ + y z z п & () 2 br+ Fтр sign(1 11 ) = 0.
& & Поворот левого колеса колёсной пары ( ) J y 1 111 + M в + cк ( 111 112 ) + F111r + T111 r + b111 + T111b111 = 0, x x z zx && где J y 1 - момент инерции левого колеса с частью оси и центром зубчатого ко леса тягового редуктора;
cк - крутильная (угловая) жёсткость участка оси между зубчатым колесом и правым колесом колёсной пары;
M в - нелинейный упругий момент, действующий при относительном пово роте левого колеса и венца зубчатого колеса.
Поворот правого колеса колёсной пары ( ) J y 2 112 cк ( 111 112 ) + F112 r + T112 r + b112 + T112 b112 = 0.
x x z z x && Поворот венца зубчатого колеса J в в11 M в + Tз11rз = 0, && где J в11 - момент инерции венца зубчатого колеса относительно оси вращения;
Tз11 - сила, действующая в зацеплении, приведённая к радиусу зубчатого колеса, имеющая упругую и диссипативную составляющие.
Tз11 = T y (з11 ) + Tд (з11 ), & где T y (з11 ) - упругая составляющая силы.
з11 = rш[(в11 д11)u + я11], где u - передаточное число тягового редуктора.
Поворот якоря электродвигателя вместе с шестернёй J я&я11 + J я д11 + Tз11 rш M я ( я11 ) = 0, & && & где J я - момент инерции якоря с шестернёй;
M я - тяговый момент, действующий в якоре двигателя.
Поворот корпуса тягового двигателя п Jдд11 + J я я11 mдaд1&&11 Tз11rз mдgaд1 + Qz11aп1 = 0, && z && где J д = J д + J я + m я a 2 + mд aд - момент инерции тягового двигателя, приведён я ный к оси колёсной пары.
Разработанная математическая модель пространственных колебаний теп ловоза 2ТЭ116 позволяет решать самые разнообразные задачи: исследовать хо довую динамику тепловоза, давать оценку изменения параметра экипажа в экс плуатации и при его модернизации, определить динамическую нагруженность привода, показатели износа колёс, оценить влияние силы тяги на динамику экипажа при движении в прямых и кривых участках пути, в том числе при раз личных триботехнических состояниях колёс и рельсов.
При моделировании макрогеометрии пути в кривых участках предусмат ривается создание S-образной кривой, состоящей из двух кривых постоянного радиуса, четырёх переходных кривых и трёх прямых участков.
На идеальную макрогеометрию рельсовых нитей наложены случайные вертикальные и горизонтальные неровности. Могут быть заданы как симмет ричные, так и кососимметричные неровности. Неровности пути можно задавать исходя из спектральной плотности или по данным натурных замеров.
Для исследования было выбрано три профиля колёс: конический, реали зующий двухточечных контакт;
криволинейный в сторону гребня, который по своему очертанию соответствует изношенному и реализующий одноточечный контакт, например, профиль ДМетИ и облегающий изношенный, который в по перечном сечении образует некоторую линию контакта. К последнему можно отнести среднесетевой изношенный (в основном по прокату) профиль колёс.
Профилей рельсов было выделено также три: новый типа Р65 (исп. 2) по ГОСТ 11018-87 черт. И477.00.00, средне- и сильно изношенные с боковыми из носами 4 и 13 мм соответственно. Последний характерен только для кривых.
Учёт смазывания рельсов производился путём задания отдельно для по верхности катания и для боковой поверхности головки рельса коэффициентов трения в точках контакта. При одноточечном контакте коэффициент трения за висит от положения точки контакта. Считается, что на выкружке головки рель са есть переходная зона, где коэффициент трения меняется по заранее заданно му закону. В модели учитывается также забег при двухточечном и продольное смещение точки контакта при одноточечном контактах.
Сила тяги моделируется приложением момента к якорям тяговых элек тродвигателей, который определяется, если задаться касательной силой тяги в соответствии с тяговой характеристикой, зная скорость движения. Для обеспе чения равномерного движения локомотива к задней автосцепке приложена сила сопротивления поезда, рассчитанная в соответствии с ПТР.
Предлагаемая методика предусматривает определение нескольких пара метров, необходимых для расчёта показателей износа.
В качестве одного из критериев для оценки износа гребней колёс ранее широко применялся фактор износа, предложенный С.М. Андриевским, опреде ляемый как произведение направляющей силы и угла набегания Ф = Yн.
Учитывая, что в последние годы для уменьшения бокового износа широ ко применяется смазывания гребней колёс и рельсов, предлагается в формуле учесть коэффициент трения скольжения f между гребнем и рельсом. Полу ченное выражение Ф* = Yн f, позволяет оценить эффективность смазывания.
При известной скорости скольжения VS целесообразно вести оценку по фактору ФV = Yн fVS, физический смысл которого есть мощность трения.
Еще один критерий, используемый в работе – удельная работа сил трения, которая определяется следующим образом:
tм (VS Yн f )dt ФР =, V0 t M где V0 - скорость движения экипажа;
dt - величина шага интегрирования.
Произведение Yн f есть продольная сила трения между гребнем колеса и рельсом, выражение ( VS Yн f )dt – работа сил трения на одном шаге интегриро вания;
V0 t M – путь, пройденный локомотивом за время моделирования.
При движении в прямых происходит периодическое набегание гребней колёс на рельсы, и использование приведенных выше критериев износа теряет смысл. В этом случае удобно использовать критерий износа как отношение времени контакта гребня колеса и рельса ко всему времени движения:
t Ф К = к 100%, tм где t к - время контакта гребня колеса и рельса, t м - общее время движения.
Наиболее удобным и информативным представляется фактор ФР, который в основном и использовался при анализе движения в кривых.
Третья глава содержит результаты компьютерного моделирования для определения динамических показателей и износа гребней колёс локомотива при различном триботехническом состоянии системы колесо – рельс при движении в режимах выбега и тяги. Определены силы в контактах колёс с рельсами по кругу катания и в точке забега, а также положение всех колёсных пар в колее для рассматриваемых профилей колёс в прямой и в кривой радиусом 300 м.
Для оценки адекватности модели было проведено предварительное срав нение расчётных значений вертикальных и горизонтальных ускорений, коэф фициентов вертикальной динамики и рамных сил с данными натурных испыта ний тепловоза ТЭ116. Достигнута их удовлетворительная сходимость.
Действие силы тяги на динамику грузового локомотива проявляется глав ным образом при скоростях движения, когда сила тяги достаточно велика: в прямых участках менее 60 км/ч, в кривых участках – менее 50 км/ч.
В прямых при движении экипажа в режиме тяги вертикальные и горизон тальные ускорения кузова практически не изменяются, по отдельным колёсным парам увеличиваются коэффициенты вертикальной динамики в основном за счёт перераспределения нагрузки, а не из-за колебаний.
Действие силы тяги не вызывает у экипажа с коническими колёсами за метных изменений рамных и боковых сил, у экипажа с профилем колёс типа ДМетИ наблюдается увеличение боковых сил, однако максимальный уровень этих сил меньший (до 30 %), чем у экипажа с коническими колёсами.
При движении в кривых под тягой увеличиваются максимальные рамные силы для экипажа с коническими колёсами при 30 км/ч до 15 %, а для экипажа с профилем ДМетИ, они практически не изменились. Произошло перераспре деление максимальных рамных сил с передних на задние оси тележек.
Действие силы тяги у экипажа с коническими колёсами уменьшает на на бегающих осях боковые силы на 10…14 %;
фактор износа – на 5…8 %. У эки пажа с профилем колёс ДМетИ боковое воздействие набегающих колёсных пар увеличивается на 25…28 %, фактор износа – в 1,6…1,75 раза, однако он значи тельно (в 1,8…2 раза) меньше, чем на гребнях конических колёс.
Наибольшее влияние сила тяги оказывает на динамику экипаж с профи лями колёс типа ДМетИ.
Профиль колеса типа ДМетИ во взаимодействии с новым и сильно изно шенным рельсом имеет всегда одноточечный контакт, а на рельсе с износом 4 мм при высоких скоростях в кривой возможен двухточечный контакт.
Стандартный конический профиль при набегании колеса реализует толь ко двухточечный контакт независимо от величины бокового износа рельса.
Среднесетевой профиль колеса с новыми и мало изношенными рельсами имеет одноточечный контакт, а с сильно изношенными - двухточечный.
В табл.1 и 2 (в скобках указаны номера осей, к которым относится замер) приведены максимальные значения некоторых динамических показателей при движении экипажа с тремя типами профилей колёс соответственно в прямой и кривой без неровностей, так как именно квазистатические составляющие явля ются определяющими в процессе изнашивания колёс и рельсов.
Таблица Динамические показатели в прямой при V = 100 км/ч Динамический Тип профиля Тип профиля рельса Ед. изм.
показатель колеса Новый Изношенный Конический 2,08 1, Горизонтальное ускорение м/с ДМетИ 2,01 3, кузова Среднесетевой 1,88 2, Конический 44,2 (1) 43,3 (1) Рамная сила кН ДМетИ 30,2 (3) 41,8 (3) Среднесетевой 32,0 (1) 36,7 (1) Конический 88,3 (1) 78,6 (1) Боковая сила –"– ДМетИ 51,5 (1) 59,1 (1) Среднесетевой 67,6 (1) 66,4 (1) Как видно из табл.1, экипаж с профилем ДМетИ в прямой чувствителен к состоянию пути, что выражается в росте боковых сил и поперечных ускорений кузова, хотя общий уровень сил меньше, чем при других профилях. Наличие бокового износа рельсов до 4-х мм не ухудшает динамику экипажа.
Таблица Динамические показатели в кривой при V = 70 км/ч (квазистатика) Тип профиля рельса Динамический Ед. Тип профиля Износ Износ показатель изм. колеса Новый 4 мм 13 мм Конический 37,2 (1) 34,8 (1) 33,2 (6) Рамная сила кН ДМетИ 39,2 (6) 37,8 (6) 49,6 (6) Среднесетевой 37,4 (6) 37,7 (6) 49,9 (6) Конический 66,3 (1) 64,2 (1) 55,3 (1) Боковая сила кН ДМетИ 44,5 (1) 47,7 (1) 42,8 (6) Среднесетевой 50,6 (1) 50,4 (1) 41,0 (6) Конический 93,7 (1) 86,2 (1) 78,0 (1) Направляю кН ДМетИ — 73,0 (1) — щая сила Среднесетевой — — 58,1 (1) Конический 1170 (1) 1085 (1) 1017 (1) Фактор износа Дж/м ДМетИ по удельной — 681 (1) — работе Среднесетевой — — 491 (1) Конический 0,0110 (1) 0,0105 (1) 0,0104 (1) Угол рад ДМетИ 0,0103 (1) 0,0107 (1) — набегания Среднесетевой 0,0103 (1) — — При движении в кривой явные преимущества имеет профиль ДМетИ, обеспечивающий, как и среднесетевой, в основном одноточечный контакт с минимальным квазистатическим воздействием на путь (по боковым силам), что делает его наиболее эффективным с точки зрения уменьшения износа колёс.
Смазывание боковой поверхности Yб1, головки наружного рельса незначитель- кН но увеличивает боковые силы на первых Вар. 40 Вар. осях тележек: до 4 % в режиме тяги и 8 % на выбеге (см. рис.3). Дополни- 20 Вар. тельное смазывание поверхности ката- 30 40 50 60 70 V, км/ч ния внутреннего рельса вызывает резкое Рис.3. Боковые силы на первой уменьшение значений квазистатических оси по вариантам смазывания сил, особенно в режиме тяги: в 4,5 раза (1-я ось) при 30 км/ч и на 33 % при 70 км/ч. На 6-й оси боковая сила возросла на 27 %, оставаясь меньше, чем на 1-й. Наблюдается более равномерное рас пределение боковых сил по осям и уменьшение максимального воздействия. На выбеге качественно картина та же, но количественные изменения меньше.
При смазывании боковой по- ФА1, верхности наружного рельса про- Дж/м Вар. дольная сила трения на гребне и пока- Вар. затели износа, изменились, как и ко- Вар. эффициент трения, примерно в 3 раза, (см. рис.4). Дополнительное смазыва ние поверхности катания внутреннего 70 V, км/ч рельса вызвало уменьшение фактора 30 40 50 Рис.4. Показатели износа по удельной износа от 4,1 раза при 70 км/ч до работе на первой оси 10,8 раза при 30 км/ч.
а) б) 17,5 19, 20,5 20, 11, 9, 10,1 11, 2,1 6, 7,0 2, 2,4 4, 7,9 1-я 13, 3-я 2-я 3-я 2-я 1-я ось ось ось ось ось ось V V 23, 34,0 21,3 19, 15,8 33, 5,6 6, 23, 26, 27,6 26, в) 13, 13, 1, 23, 23,5 24,0 Рис.5. Схемы распределения контакт ных сил по колёсным парам 1,6 первой тележки:
3-я 2-я 1-я а – вариант 1, МСОПР = 298,51 кН/м;
ось ось ось V б – вариант 2, МСОПР = 290,23 кН/м;
3, в – вариант 3, МСОПР = 68,61 кН/м 9, 12,1 11, 0,2 4,2 4, Из приведенных на рис.5 схем можно сделать следующие выводы:
- при смазывании боковой поверхности наружного рельса (вариант 2) значительно уменьшаются продольные силы трения на гребнях набегающих на этот рельс колёс и одновременно возрастают продольные силы крипа, так как сила тяги в основном реализуется на поверхностях катания колёс, поперечные силы крипа изменяются незначительно;
- при смазывании дополнительно поверхности катания внутреннего рель са (вариант 3) происходит значительное уменьшение поперечных сил крипа, силы трения на гребнях и увеличение продольных сил крипа на колёсах, дви жущихся по наружному рельсу.
Смазывание боковой поверхности наружного рельса вызывает некоторое уменьшение момента сопротивления повороту тележки, в то время как смазы вание по варианту 3 значительно уменьшает этот момент. Таким образом, ста новится вполне объяснимым существенное уменьшение бокового воздействия на путь и показателей износа локомотива.
Четвёртая глава посвящена описанию методики экспериментальных ис следований взаимодействия экипажа тепловоза ТЭ116 и пути в кривой при раз личном трибологическом состоянии рельсов и сравнению данных, полученных с помощью компьютерного моделирования и в ходе эксперимента.
Первая ось Четвертая ось а) Боковые силы (метод Шлюмпфа) YБ, кН YБ, кН V, км/ч V, км/ч 30 40 50 30 40 50 б) Боковые силы (компьютерное моделирование) 100 YБ, YБ, кН кН 20 - 60 V, км/ч V, км/ч 30 40 30 40 50 Рис.6. Некоторые показатели динамики при различном трибологическом состоянии рельсов в кривой R = 300 м:
вариант 1;
вариант 2;
вариант Экспериментальные исследования, см. рис.6, подтвердили прогнозируе мую компьютерным моделированием эффективность смазывания боковой гра ни наружного и поверхности катания внутреннего рельсов в кривых. Это по зволяет применить разработанную методику для решения практических задач совершенствования ходовых частей локомотивов.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ В диссертационной работе на основе проведенных исследований получе ны следующие основные результаты и выводы:
1. Разработана математическая модель грузового шестиосного тепловоза, учитывающая основные нелинейности, присущие экипажу и методика исследо ваний его пространственных колебаний с учётом триботехнического состояния системы колесо – рельс при движении в режимах выбега и тяги.
2. Расширено число оценочных параметров экипажа, которые реализова ны с помощью программного комплекса UM Loco. К числу дополнительных показателей, в разработке которых принимал участие автор, относятся: силы в точке забега, координаты забега, факторы износа колёс и рельсов по скорости скольжения и по удельной работе сил трения в контакте (для кривых), времени контактирования (для прямых).
3. Анализ влияния силы тяги локомотива на его динамические показатели и износ гребней колёс показал, что:
- действие силы тяги проявляется в основном при малых (20-50 км/ч) ско ростях движения, когда она достаточно велика;
- при движении экипажа в прямых участках пути в режиме тяги верти кальные и горизонтальные ускорения кузова практически не изменяются;
- сила тяги не вызывает у экипажа с коническими колёсами заметных из менений рамных и боковых сил, у экипажа с профилем колёс типа ДМетИ на блюдается незначительный рост боковых сил;
- при движении в кривых участках пути сила тяги влияет преимуществен но на квазистатические значения показателей;
- действие силы тяги у экипажа с коническими колёсами уменьшает на набегающих осях боковые силы на 10…14 %, фактор износа по удельной рабо те сил трения на гребнях – на 5…8 %. У экипажа с профилем колёс ДМетИ бо ковое воздействие набегающих колёсных пар увеличивается на 25…28 %, фак тор износа – в 1,6…1,75 раза, однако он значительно меньше, чем фактор изно са на гребнях конических колёс (в 1,8…2 раза);
- влияние силы тяги на динамику экипажа с профилями колёс типа ДМетИ проявляется в большей степени, чем на экипаж со стандартным кониче ским профилем колёс.
4. При анализе влияния различной степени износа профилей колёс и рель сов на динамику тепловоза установлено, что:
- конический профиль при набегании колеса на рельс реализует двухто чечный контакт независимо от величины бокового износа рельса;
- криволинейный профиль колеса типа ДМетИ во взаимодействии с но вым и изношенным рельсом имеет одноточечный контакт;
- при движении в кривой явные преимущества имеют близкие по очерта ниям профили ДМетИ и среднесетевой, которые реализуют одноточечный кон такт с наименьшим среди рассматриваемых профилей воздействием на путь, что делает их наиболее эффективными с точки зрения изнашивания колёс по сравнению со стандартным коническим профилем;
- при одноточечном контакте нормальное усилие в точке контакта (на вы кружках гребня и рельса) больше, чем при двухточечном контакте, что способ ствует повышению усталостного изнашивания колёс и рельсов.
5. Анализ влияния трибологического состояния рельсов на динамику дви жения экипажа в кривой показал следующее:
- смазывание боковой поверхности наружного рельса приводит к незна чительному увеличению бокового воздействия на путь: на 4…8 % у экипажа с коническими колёсами и до 19 % с профилем колёс типа ДМетИ. У экипажа с коническим профилем колёс уменьшение фактора износа по удельной работе сил трения примерно пропорционально коэффициенту трения в контакте;
- смазывание боковой поверхности наружного рельса и поверхности ката ния внутреннего даёт значительное уменьшение бокового воздействия экипажа на путь, особенно при низкой скорости движения: в 2…4,5 раза при колёсах с коническим профилем и в 3,1 раза на колёсах с профилем ДМетИ;
уменьшение углов набегания направляющих колёсных пар на 3…4 %;
значительное умень шение фактора износа по удельной работе сил трения на гребнях направляю щих колёс: в 10,8 раз при V = 30 км/ч и в 4,1 раза при V = 70 км/ч;
- анализ сил в контакте колёс с рельсами показал, что смазывание вы кружки наружного рельса и круга катания внутреннего рельса вызывает суще ственное уменьшение поперечных сил крипа и момента всех сил в точках кон такта колёс с рельсами, препятствующих повороту тележки при движении в кривой, что и является причиной значительного уменьшения воздействия эки пажа на путь и показателей износа колёс при движении в кривых.
6. Выполнена экспериментальная оценка бокового воздействия на путь тепловоза ТЭ116 по кромочным напряжениям и по боковым силам, получен ным по методу Шлюмпфа при различном трибологическом состоянии рельсов.
Подтверждена прогнозируемая компьютерным моделированием эффективность смазывания боковой грани наружного и поверхности катания внутреннего рельсов как мероприятия по уменьшению воздействия экипажа на путь.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Основное содержание работы
изложено в следующих публикациях:
1. Коссов В.С., Михальченко Г.С., Погорелов Д.Ю., Галичев А.Г. Матема тическая модель пространственных колебаний грузового тепловоза для иссле дования движения в режиме тяги и выбега//Тр.ВНИТИ, Коломна, 1999. – вып.79. – С.143–158.
2. Коссов В.С., Михальченко Г.С., Погорелов Д.Ю., Галичев А.Г. Анализ движения грузового тепловоза при различной степени износа колёс и рельсов //Вісн. Східноукр. нац. ун-т. – 2001. – Т.1. – №7(41). – С.37–40.
3. Коссов В.С., Михальченко Г.С., Погорелов Д.Ю., Галичев А.Г. Влияние трибологического состояния системы колёсная пара – рельсы на взаимодейст вие колёс локомотива с рельсами и износ. Проблемы механики железнодорож ного транспорта: Динамика, надёжность и безопасность подвижного состава. X Международная конференция. Тезисы докладов. – Днепропетровск: Арт-Пресс, 2000. – С.83–84.
4. Коссов В.С., Михальченко Г.С., Галичев А.Г. Анализ динамики грузо вого тепловоза при различной степени износа колёс и рельсов//Тр. Междунар.
науч.-практ. конф. – Гомель: БелГУТ, 2001. – С.78–79.
5. Галичев А.Г. Влияние силы тяги на ходовые качества и износ гребней колёс тепловоза 2ТЭ116/Вопросы транспортного машиностроения: Сб.науч.тр./ Под ред. Г.С. Михальченко. – Брянск, 2000. – С.63–68.
6. Галичев А.Г., Дмитроченко О.Н. О методике сглаживания линии про филя новых и изношенных колёс и рельсов для компьютерного моделирования динамики подвижного состава//Динамика, прочность и надёжность транспорт ных машин: Юбилейн.сб.науч.тр.,посвящ. 70-летию БГТУ/Под ред. Б.Г. Кегли на. – Брянск, 1999. – С.10–15.
7. Коссов В.С., Галичев А.Г., Ковалёв Р.В. Влияние триботехнических ха рактеристик системы колесо – рельс на динамические качества грузового теп ловоза/Тез.докл. 55-й науч.конф.проф.-преп.сост. – Брянск: БГТУ, 1999. – С.85–86.
ГАЛИЧЕВ Александр Геннадьевич ВЛИЯНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОЛЁС И РЕЛЬСОВ НА ДИНАМИКУ ДВИЖЕНИЯ ГРУЗОВОГО ТЕПЛОВОЗА В РЕЖИМАХ ВЫБЕГА И ТЯГИ 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация Автореферат Подписано в печать 4.09.02. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная.
Офсетная печать. Печ.л. 1,16. Уч.-изд.л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ 526. Бесплатно.
Брянский государственный технический университет.
241035, г. Брянск, БГТУ, бульвар 50-летия Октября, 7. Телефон 55-90-49.
Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16.