Ученые против износа колесных пар и рельсов
В редакцию журнала поступило письмо от инженера-электрика А.Г. Крячко (г. Днепродзержинск, Украина). Как известно, значительные энергозатраты на тягу поездов, а также износ ходовых частей локомотивов и железнодорожного полотна, пишет наш читатель, связаны с трением скольжения гребня колеса о головку рельса, в особенности при прохождении кривых участков пути.
Так как энерго- и материалосбережение, повышение производительности подвижного состава нового поколения становятся все более актуальными, ученые и специалисты рассматривают самые разнообразные варианты улучшения условий взаимодействия колес и рельсов. Например, чтобы при движении в кривых участках пути колесная пара занимала радиальное положение, а в прямых эффективно гасились поперечные колебания, предлагается ее принудительный поворот.
На зарубежных железных дорогах появился подвижной состав, на котором колесные пары поворачиваются с помощью специальных рычагов. Такие тележки с рычагами получили распространение в США, Канаде, Австрии и других странах. Это техническое решение, согласно данным зарубежных специалистов, обеспечивает снижение сопротивления движению в прямых участках пути на 20 %, а в кривых — до 50 %.
Как решают проблему износа колесных пар локомотивов и рельсов на железнодорожном транспорте России? Ответить на письмо нашего читателя редакция попросила директора Всероссийского научно-исследовательского и конструкторско-технологического института подвижного состава (ВНИКТИ, г. Коломна) д-ра техн. наук B.C. КОССОВА. Вот что рассказал руководитель этого научного центра.
Проблема взаимодействия подвижного состава и пути наряду с чисто экономическим аспектом (потерей энергетических ресурсов на преодоление сопротивления движению, износом колес и рельсов) тесно связана с безопасностью движения на железнодорожном транспорте.
Так, в период последнего всплеска бокового износа рельсов и колес (начиная с 1985 г. в восточных регионах России) фактическая его интенсивность в 3 — 6 раз превышала предусмотренную нормами эксплуатации пути и подвижного состава. Срок службы бандажей колесных пар локомотивов сократился с 6 — 7 лет в начале 80-х годов до 2 — 3 лет в 90-е годы Выбраковка рельсов из-за предельного бокового износа за 10 лет увеличилась более чем в 3 раза.
Исследования, проведенные российскими учеными, показали, что для обеспечения устойчивости колес к сходу с рельсов, имеющих боковой износ выше нормированного, требуется снизить величину боковых сил на 40 — 50 %. Отмечено положительное влияние уменьшения трения на изношенной боковой грани рельсов в кривых и угла набегания колесной пары на повышение устойчивости колес к сходу с рельсов.
Другие научные и экспериментальные данные свидетельствуют, что среди факторов способствующих вкатыванию колеса на рельс, особое внимание необходимо уделять углу наклона изношенной боковой грани
наружного рельса в кривой к вертикали. Эту величину предлагается принимать в качестве критерия для определения срока замены рельсов, и на ряде дорог она нормируется. Например, на железных дорогах США предельное значение угла составляет 26 — 32°, Великобритании — 28°, Нидерландов — 32°.
В МПС России разработали и реализовали комплексную программу исследований системы колесо — рельс В рамках этой программы сотрудники ВНИКТИ выполнили комплекс теоретических и экспериментальных работ, направленных на улучшение условий взаимодействия колес локомотивов с рельсами. В частности, они изучили влияние технического состояния ходовой части на взаимодействие колесных пар с рельсами и разработали обобщенные математические модели пространственных колебаний локомотивов с двух- и трехосными тележками.
Были сделаны выводы, что наиболее негативное влияние на интенсивность износа оказывает перекосное положение колесных пар в раме тележки На локомотивах с поводковыми буксами этот фактор в основном определяется состоянием буксовых поводков и их подбором в пары как по размерам, так и по упругим характеристикам. Ученые разработали рекомендации для депо как исключать негативное влияние технического состояния ходовой части на интенсивность износа колесных пар локомотивов.
Программа колесо — рельс включала в себя также разработку и широкомасштабное внедрение на магистралях России технологий лубрикации боковых граней рельсов. Специалисты ВНИКТИ разработали, изготавливают и поставляют железным дорогам навесные модульные рель-сосмазыватели с бесконтактным нанесением на боковые грани рельсов самотвердеющего антиизносного графитосодержащего рельсового покрытия с высокими трибологическими свойствами.
В состав рельсосмазывателя входят четыре модуля, попарно навешиваемые с помощью специальных рам и кронштейнов на внешние части тележек локомотивов и дрезин Каждый модуль включает в себя базирующий гребневой ролик с нагнетательным насосом и бесконтактной форсункой, шарнирно-рычажный механизм подвески ролика к раме, пневмопружинный механизм подъема и опускания ролика на рельс устройство стопорения модуля в транспортном положении.
Предусмотрены два контейнера с устройствами непрерывного перемешивания смазки. Разовой заправки контейнеров смесью достаточно для обработки плеча длиной до 400 км (расход смазки 0,45 — 0,5 л на 1 км рельса). Покрытие наносится на боковую грань рельсов в виде сплошной полосы шириной примерно 10 мм на высоте 8 — 10 мм ниже поверхности катания рельса. После нанесения покрытие в течение 3 — 5 мин полностью затвердевает и на рельсе остается твердая пленка.
Разработали также методику контроля трибологических свойств смазанного рельса в зоне взаимодействия с гребнями колесных пар. Для этих целей создан прибор-трибометр, позволяющий в эксплуатационных условиях через замеры коэффициента трения на боковой грани рельса контролировать состояние смазки.
Трибометр представляет собой ручную рельсовую тележку, на которой смонтирована измерительная система, включающая измерительную головку, механизм ее подвода и отвода от рельса, тензометрический элемент, блок преобразования электрических сигналов в считываемую информацию.
Длительными наблюдениями установлено, что приведенная технология лубрикации рельсов обеспечивает интенсивность износа гребней бандажей колес на уровне 0,25 — 0,4 мм/104 км. На участках, где используют рельсосмазыватели, за последние 5 лет интенсивность износа гребней колес локомотивов снизилась в 3 — 4 раза, а бокового износа рельсов — в 2 — 4 раза. За счет того, что сопротивление движению поездов в кривых уменьшается, на 4 — 9 % (в зависимости от профиля пути) сокращается расход элетроэнергии на тягу.
Большой комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ученые и специалисты выполнили, чтобы создать экипаж тепловоза на трехосных тележках с радиальной установкой колесных пар (РУКП). Для выбора конструктивных решений и характеристик тележек с РУКП разработали математические модели экипажа локомотива, провели вариантные расчеты в соответствии со схемами тележек.
После моделирования испытаний на макетных образцах выбрали вариант конструкции тележки для комплексных динамико-прочностных исследований, а также по воздействию на путь и эксплуатационных тепловоза 2ТЭ116 на участках Суоярви — Петрозаводск — Лодейное Поле Октябрьской дороги. Экспериментально установили снижение углов набегания в кривой радиусом 300 м в 2,3 — 2,7 раза, радиусом 600 м — в 5 — 6 раз.
Уменьшилось также боковое воздействие на путь, что определяли по полуразности кромочных напряжений в рельсах и боковым отжатиям наружного рельса, в кривой радиусом 300 м
в 1,2 — 3,7 раза (в зависимости от скорости движения). Зафиксировали снижение общего уровня шума от взаимодействия колес с рельсами (скрежета колес) — в кривой радиусом 300 м на 9 дБ, уровня вибрации наружного рельса на 40 — 50 м/с2. Интенсивность износа гребней сократилась с 1 до 0,18/104 км.
Однако уже в ближайшие годы предстоит осваивать скорости движения 200 — 250 км/ч. Это, естественно, обострит проблему износа гребней бандажа. Кроме того, в условиях повышенных требований к высокоскоростному подвижному составу в отношении безопасности и комфортности обеспечить радиальную установку колесных пар посредством только пассивных методов практически невозможно.
Российские ученые и специалисты работают над концепцией перспективной двухосной тележки для тягового подвижного состава, оснащенной активной следящей системой управления за положением колесных пар в прямых и кривых участках пути. Она будет существенно отличаться в конструктивном исполнении от обычных тележек рельсового подвижного состава.
Особенность, например, перспективной тележки — повышенные жесткость и прочность рамы. Предусматривается тяговые и тормозные усилия передавать через две наклонные тяги, работающие только на растяжение. Они будут равномерно распределять вертикальную нагрузку между двумя колесными парами при реализации сил тяги и торможения.
Зубчатая передача — меньшими габаритами. Для ведущей шестерни исключат воздействие несбалансированной поперечной силы, а ведомые и промежуточные шестерни будут нагружены только половинным моментом. Конструкция обеспечит свободное перемещение колес в вертикальной, горизонтальной и поперечной плоскостях относительно корпусов тяговых зубчатых редукторов, а, следовательно, и рамы тележки, поскольку последние жестко соединены между собой.
Принято целесообразным двухступенчатое рессорное подвешивание тележки. Наряду с пружинами типа «
флексикойл», во вторичном подвешивании задействуют последовательно расположенные гидроцилиндры гидропневматических «рессор». Подпор-шневые полости гидроцилиндров соединят трубопроводами с гидропневматическими аккумуляторами. Система регулирования обеспечит постоянство высоты кузова независимо от его загрузки в прямых участках пути и наклон его в кривых для компенсации центробежных сил.
Тележку предлагается снабдить магниторельсовым и барабанным фрикционным тормозами. Вместо силовой рычажной передачи тормоза применить компактную гидравлическую, которая приводится в действие серийной пневмоаппаратурой (подобная система тормоза была испытана на немецком экспериментальном поезде ICE). Магниторельсовый тормоз будет использоваться лишь при экстренном торможении.
Как уже отмечалось, главная особенность тележки — ее следящая система автоматического управления движением. Для этой системы разрабатывают четыре блока: управляющий микропроцессорный, блок гидронасосной станции, измерительный и исполнительный. Измерительный блок будет содержать магниторельсовые индукционные датчики и считывающие головки, которые предусматривается закреплять на кронштейне так, чтобы всегда обеспечивалось одинаковое расстояние от головки рельса. Скорость движения будет определяться по сигналам импульсных тахометров, установленных на несущих корпусах тяговых редукторов.
Функции управляющего микропроцессорного блока — обрабатывать информацию, поступающую в него от индукционных датчиков, считывающих головок и импульсного тахометра, и вырабатывать сигналы для интегрально-дифференциальных регуляторов поворота колесных пар и рамы тележки. Последние по сигналам обратной связи будут следить за положением колесных пар в рельсовой колее и обеспечивать оптимальное их расположение в прямых и кривых участках пути.
Задача исполнительного блока — посредством силовых гидроцилиндров шарнирно соединять невращающиеся оси, раму тележки и кузов транспортного средства. При этом блок гидронасосной станции будет связан с гидроцилиндрами через трубопроводы, оборудованные регулируемыми золотниками. . Согласно расчетам, тележка с микропроцессорной системой управления позволит уменьшить сопротивление движению как минимум на 20 — 30 %. На порядок уменьшится интенсивность износа гребней колес и боковых граней головок рельсов по сравнению с традиционными тележками тягового подвижного состава.
