УКД 625.032

Баймухамбетова Мария Куандыковна, к.э.н. –

директор колледжа железнодорожного транспорта (Алматы)

контроль динамических хараткеристик грузовых вагонов

Железнодорожный транспорт является важной составляющей экономики Казахстана, осуществляющей основные грузовые и пассажирские перевозки. Согласно данным Агентства Республики Казахстан по статистике доля железнодорожного транспорта в грузообороте всех видов транспорта составляет 43%.

По оценкам международных центров транзитные потоки в направлении Юго-Восточная, Восточная Азия – Европа оцениваются в 330-340 млрд. долларов США, при этом предполагается, что 20% транзитных потоков должны проходить через территории России и Казахстана. Однако в силу различных причин Казахстан использует данный потенциал менее чем на 10%.

Рост грузонапряженности, повышение осевых нагрузок и скоростей вызывают необходимость корректировки норм и допусков содержания пути. Для этого обязательны теоретические и экспериментальные исследования влияния расстройств рельсовой колеи на динамическое взаимодействие экипажа и пути. Для обеспечения надежной работы железнодорожного пути необходимо добиться снижения дефектности основных его элементов и улучшения состояния рельсовой колеи.

Из теории и практики известно, что даже идеально собранная (без зазоров, разбегов и

перекосов) тележка с коническими поверхностями катания колес во время движения по прямому пути совершает колебания виляния. При отсутствии каких-либо специальных устройств связи тележки с кузовом колебания виляния являются неустойчивыми (амплитуда колебаний непрерывно нарастает до момента соприкосновения гребней колес с рельсами) и пятники тележек описывают в плане траекторию вида:

, (1)

где y_o – начальное отклонение пятника от оси пути;

α – инкремент (при α>0) или декремент (при α<0) колебаний;

ω – частота извилистого движения тележки;

δ – начальная фаза.

Поскольку виляние тележек может быть длительным, представляет интерес рассматривать установившиеся вынужденные колебания и кузова на рессорах, которые на основании изложенного выше получим в виде:

(2)

где ∆₁, ∆₂ – коэффициенты нарастания амплитуд колебаний бокового относа и виляния вагона.

В условиях резонанса

Таким образом, горизонтальные колебания кузова вагона в условиях резонанса практически на 30% больше амплитуды горизонтальных неровностей пути.

Движение грузовых вагонов по крутым кривым. При определении поперечных сил принята схема расчета, когда обе тележки направляются первыми осями по наружной рельсовой нити, последние оси могут занимать любое положение в колее, т.е. схема расчета не отличается от той, которая приняла при отсутствии продольных сил.

Для расчета направляющих сил по первым осям тележек используются формулы:

(3)

(4)

где и – удельные характеристики вписывания;

Р – статическая нагрузка на колесо, кН;

µ – коэффициент трения между колесом и рельсом;

m_o – момент трения в опорном устройстве кузова и тележки (m_o=13кН·м);

2l – расстояние между осями тележки (2l=1,85м);

Y₂ и Y₄ – направляющие силы по последним осям первой и второй тележек.

Анализ экспериментальных исследований и расчетов на ЭВМ дал возможность О.П. Ершкову использовать для определения поперечных сил графики-паспорта вписывания подвижного состава в кривые.

Приближенные формулы для определения боковых и рамных сил при вписывании в кривые двухосной тележки модели 18-100 (ЦНИИ-Х3) выглядит следующим образом:

(5)

(6)

где

N – продольная сила в поезде, кН.

Результаты расчетов направляющих, боковых и рамных сил показывают, что для порожних вагонов эти силы в 4 раза меньше, чем для груженых. С ростом непогашенного ускорения в диапазоне от -0,5 до +0,5 м/с² направляющие силы порожних вагонов возрастают в 1,3 раза, а груженых в 1,4 раза.

При движении поезда в режиме торможения, когда поперечные составляющие продольных сил в кривых направлены наружу, увеличение продольной силы от 0 до 700кН приведет к росту поперечных сил на 20%, а при продольной силе 1000кН на 30%.

Оценка динамики грузового вагона и безопасности движения. Безопасность движения, плавность хода, прочность, надежность и другие эксплуатационные качества в значительной мере определяются величинами динамических сил и деформации рессор, возникающих вследствие колебательных процессов.

Значения коэффициентов динамики могут быть вычислены по величинам прогибов (деформации) f_Д связи. Для упруго-фрикционной связи (типа рессор с клиновыми демпферами) по формулам:

(7)

где – коэффициенты жесткости связей в случаях вертикального и бокового деформирования;

– коэффициент относительного трения.

Большое значение для безопасности движения поездов имеет устойчивое положение колесной пары на рельсах.

Это отношение приближенно для случая набегания колеса на рельс с малым углом выражается в виде коэффициента г, запаса устойчивости колеса против схода с рельса.

Применительно к колесной паре порожнего грузового вагона, полная нагрузка от оси на рельсы которого составляет 55 кН, выражение для определения коэффициента запаса устойчивости против вкатывания колеса на рельс примет вид:

(8)

где К_БК – коэффициент боковой качки вагона;

F_Р – рамное усилие, действующее на колесную пару.

Безопасность движения вагона и плавность его движения по неровностям пути оцениваются коэффициентами вертикальной и горизонтальной динамики, которые для грузовых вагонов не должны превышать соответственно К_ДВ=0,46-0,65 и К_ДБ=0,26-0,36.

Величина коэффициента запаса устойчивости при подстановке максимально вероятных боковых и минимальных вертикальных сил не должна превосходить единицы, а при подстановке одновременно действующих сил на набегающее колесо должна быть не менее 1,5.

Для порожного грузового вагона обеспечение устойчивости колеса на рельсе определяющее значение имеет величины рамных сил и коэффициенты боковой качки К_БК. При этом полное исчерпание запаса устойчивости колеса происходит при значении К_Б ≥0,4.

Динамическая оценка неровностей пути. Максимальное значение динамической обезгрузки рессор грузового вагона на вертикальной неровности пути глубиной η_о составит:

(9)

где ∆_В – коэффициент динамики для поперечных неровностей ∆_В = 0,3, для изолированной неровности ∆_В =0,47.

Таким образом, коэффициент вертикальной динамики грузового вагона

(10)

Коэффициент динамики боковой качки составит

(11)

Дополнительное непогашенное ускорение, возникающее при прохождении неровностей пути

(12)

При

(13)

где А_Г и А_В – амплитуды горизонтальной и вертикальной поверхности. Для эталонной кривой R=650м, при 2Р_СТ=230кН

(14)

При действии продольной сжимающей силы N = 500 кН

(15)

В случае движения порожнего грузового вагона, при 2Р_СТ = 55 кН по прямой

(16)

При движении порожнего вагона с осевой нагрузкой 2Р_СТ=55кН по кривой радиусом R=650м, при N=500кН

Анализ результатов расчетов показывает, что в диапазоне рабочих скоростей движения грузовых поездов (V=60-75км/ч) коэффициент запаса устойчивости колеса на рельсе достигает критических значений (=1,5) в прямых и пологих кривых при наличии в пути перекосов и просадок величиной 27мм.

В кривых радиусом 650м и менее, =1,5 достигается при перекосах и просадках величиной 20мм.

При наличии в составе поезда порожних вагонов (рисунок 1) коэффициент запаса устойчивости =1,5 в кривых радиусом 650м и менее достигается при движении по пути с перекосами и просадками величиной 15мм. В этом случае скорость движения не должна превышать 60км/ч.

Порядок регистрации и оценки параметров рельсовой колеи путеизмерителями. Путеизмерителями контролируются, регистрируются и оцениваются следующие параметры:

- положение рельсовых нитей по уровню (перекосы и плавные отклонения по уровню);

- положение рельсовых нитей в плане (стрелы изгиба от хорды длиной 21,5м, в точке, расположенной на расстоянии 4,1 м конца) - рихтовка;

- ширина колеи (отклонения от номинальной величины - сужение и уширение);

- просадки рельсовых нитей в вертикальной плоскости.

Отклонения геометрических параметров рельсовой колеи от номинальных значений (отступления и неисправности) подразделяются на диапазоны оценки, в зависимости от величины отклонения и категории пути. Диапазоны установлены, исходя из условий обеспечения безопасности движения поездов, рационального определения видов и сроков выполнения работ по предупреждению появления и устранению отклонений от норм.

Рисунок 1 - Показатели динамики грузового порожного вагона при движении по неровностям пути

К перекосам относятся отклонения по уровню от нулевой линии в разные стороны при расстоянии между вершинами отклонений от 2м до 20м, они оцениваются по нормативам таблицы 1.

Таблица 1 – Диапазоны оценки отступлений по перекосам

Категория пути, Диапазон скоростей	Диапазоны оценки	Величина, мм
		перекоса * просадки*	просадки *
1 от 121 до 140км/ч	I	от 8 до 10	от 8 до 11
	II	от 11 до 13	от 12 до 16
	III	от 14 до 16	от 17 до 20
	IV	более 16	более 20
2-4 от 61 до 120км/ч	I	от 10 до 11	от 8 до 11
	II	от 12 до 16	от 12 до 20
	III	от 17 до 20	от 21 до 25
	IV	более 20	более 25
5-7 до 60км/ч	I	от 10 до 15	от 10 до 15
	II	от 16 до 20	от 16 до 25
	III	от 21 до25**	от 26 до 30***
	IV	более 25** более 30***	более 30***
* При наличии в составе порожних цистерн, вагонов крытых и бункерного типа в кривых радиусом менее 650м перекосы длиной до 10м и величиной более 15мм, просадки величиной более 15мм не допускают скорость грузовых поездов более 60км/ч. ** 30мм для путей 6 категории и 35мм для 7 категории. *** 35мм для путей 6 категории и 40мм для 7 категории.

Величина просадки длиной до 6 м включительно определяется суммой амплитуд двух полуволн, оценка производится по нормативам (таблица 2):

Таблица 2 – Диапазоны оценки отступлений по просадкам

Категория пути	Диапазоны оценки	Величина просадки*, мм
1 от 121 до 140км/ч	I	от 10 до 12
	II	от 13 до 15
	III	от 16 до 18 .
	IV	более 18
2-4 от 61 до 120км/ч	I	от 10 до 14
	II	от 15 до 20
	III	от 21 до 25
	IV	более 25
5-7 до 60км/ч	I	от 15 до 20
	II	от 21 до 25
	III	от 26 до 30**
	IV	более 30**
* При наличии в составе порожних цистерн, вагонов крытых и бункерного типа в кривых радиусом менее 650м просадки величиной более l5 мм не допускают скорость грузовых поездов более 60км/ч. ** 35мм для путей 6 категории и 40мм для 7 категории.

Просадки рельсовых нитей характеризуют неровности рельсовых нитей в продольном направлении длиной от 1м до 10м, определяются по каждой рельсовой нити по разности вертикальных перемещений ходовых колес тележки относительно кузова путеизмерителя.

Таким образом, установлено, что наибольшие колебания кузова возникают при равенстве частот собственных и вынужденных колебаний (зона резонанса). Соответствующие скорости движения и длины неровностей, вызывающие резонанс, называются критическими.

Просадки длиной более 6м до 10м оцениваются по максимальной величине, на расстоянии 6м от одной из вершин. Для грузовых вагонов критические длины неровностей (L_КР=2-12м) лежат в диапазоне эксплуатационных скоростей, а для пассажирских - значительно ниже. Коэффициент динамичности обрессоренных частей вагона при прохождении изолированной неровности пути равен 1,47. Отступления в плане длиной до 10м и величиной более 20мм, длиной до 20м и величиной более 25мм, не обеспечивают безопасный пропуск грузовых поездов при наличии в составе порожних вагонов со скоростями более 60км/ч. Оценка параметров устройства кривых участков пути определяется не категорией пути, а величиной установленной скорости.

УДК: 625.032

Баймухамбетова М.К., Контроль динамических характеристик грузовых вагонов //

Аналитическим образом определены значения коэффициентов вертикальной и горизонтальной динамики влияющие на безопасность движения вагона и плавность его движения по неровностям пути.

The Analytical image are definite sign factor vertical and horizontal speakers influencing upon safety of the moving the coach and smothness of his(its) motion on jaggy of the way.

Сведения об авторах

Баймухамбетова М.К., КУПС,050063, г. Алматы, мкр. Жетысу-1, д. 32а, тел8-727-376-74-78, факс: 8-727-376-74-81, e-mail: agktk@mail.ru.

РЕЦЕНЗИЯ

на статью Баймухамбетовой М.К.«Контроль динамических характеристик грузовых вагонов»

Повышение скоростей движения обуславливает изучение закономерностей в динамике взаимодействия подвижного состава и пути. Естественно, что при этом становится необходимым оценка фактических характеристик экипажной части вагонов и участков пути, предназначенного для скоростного пассажирского движения, корректировка норм содержания и способов оценки состояния желенодорожного пути. Но с повышением скоростей движения изменяется динамика экипажей в вертикальной и горизонтальной плоскостях, увеличивается уровень динамических сил, значительно возрастает интенсивность колебаний. Это привлекает внимание ученых и практиков к разработке методов расчета динамических сил и оценке напряженного состояния железнодорожного пути и подвижного состава.

Для того, чтобы дополнительныенагрузки, возникающие при колебаниях,но превышали допускаемых значений, необходимо использовать методы оценки динамической нагруженности сложных систем, позволяющих выбрать в процессе опытной эксплуатации наиболее рациональные конструкции подвижного состава. Усилия ученых и практиков направлены на разработку новых методов расчета и оценки статической и динамической нагруженности рельсовых экипажей, углубленное изучение процесса взаимодействия подвижного состава и пути.

В рецензируемой статье авторами аналитическим образом определены значения коэффициентов вертикальной и горизонтальной динамики, влияющие на безопасность движения вагона и плавность его движения по неровностям пути. А также проведен анализ нормативных документов регламентирующих значения типовых неровностей железнодорожного пути. Авторами установлено, что наибольшие колебания кузова возникают при равенстве частот собственных и вынужденных колебаний (зона резонанса).

Статья по содержанию и актуальности материала будет интересна и полезна магистрантам, научным и инженерно-техническим работникам, занимающимся исследованием влияния нормативных положений по содержанию рельсовой колеи на динамические характеристики железнодорожных экипажей. Статья рекомендуется к опубликованию в широкой печати.

д.т.н., профессор Бекжанова С.Е.