[01-2024] Влияние лубрикации на силовую нагруженность внутреннего рельса

[Admin]

Влияние лубрикации на силовую нагруженность внутреннего рельса

КРАСНОВ О.Г., АО «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»), заведующий отделом пути и специального подвижного состава, докт. техн, наук,
АКАШЕВ М.Г., АО «ВНИКТИ», ведущий инженер, НИКОНОВА Н.М., АО «ВНИКТИ», ведущий программист

Аннотация. Приведены результаты исследований по влиянию лубрикации боковой грани наружного рельса на силовую нагруженность рельсов в кривых малого радиуса. С использованием программного комплекса «Универсальный механизм» проведено моделирование движения полувагона с осевой нагрузкой 230 кН на тележках модели 18-100 при движении в кривой радиусом 300 м для различных значений коэффициентов трения на боковой грани наружного рельса и на поверхности катания. Определены зависимости изменения боковых сил, касательных и нормальных напряжений от коэффициента трения боковой грани наружного рельса.
На основании полученных результатов следует отметить, что величины коэффициентов трения как на боковой грани наружного рельса, так и на поверхности катания наружного и внутреннего рельсов являются мощным фактором, влияющим на изменение боковых сил, действующих от колес подвижного состава как на наружный, так и внутренний рельс, определяя тем самым возникновение высоких касательных напряжений в зонах контакта колеса с рельсом.

Ключевые слова: коэффициент трения на боковой грани наружного рельса, коэффициент трения на поверхности катания, силовая нагруженность рельса, боковые силы на внутреннем рельсе, моделирование, касательные и нормальные напряжения, боковые силы, силы крипа.
В работе [1] опытным путем установлено, что уменьшение коэффициента трения на боковой грани головки наружного рельса в кривой позволяет снизить суммарный момент от сил в месте контакта колес и рельсов, способствующих повороту тележки грузового вагона при вписывании в кривую. В результате возрастают поперечные силы, действующие на внутренний рельс. Для их снижения рекомендуются [2] одновременное смазывание поверхностей катания наружного и внутреннего рельсов
модификатором трения (TOR) и нанесение смазочного материала на боковую грань головки наружного рельса. Нанесение модификатора трения на поверхность катания головки внутреннего рельса обеспечивает существенное (приблизительно в два раза) снижение поперечных сил и, следовательно, повреждаемости пути [2, 3].

Для исследования влияния лубрикации на изменение количественных значений силового воздействия на внутренний рельс от подвижного состава в кривых малых радиусов проведены теоретические исследования.
С использованием программного комплекса «Универсальный механизм» выполнено моделирование динамики взаимодействия грузового вагона с осевой нагрузкой 230 кН на тележках модели 18—100 при движении в кривой радиусом 300 м для различных значений коэффициента трения на боковой грани наружного рельса.
В процессе моделирования коэффициент трения на боковой грани наружного рельса и на поверхности катания изменяли в диапазоне 0,12— 0,48. Определены значения боковых сил, поперечного крипа, касательных и нормальных напряжений в зависимости от коэффициента трения боковой грани наружного рельса.
На рис. 1 представлены графики зависимости боковых сил от всех колес грузового вагона с осевой нагрузкой 230 кН, действующей на внутренний рельс при различных значениях коэффициента трения и величин непогашенного ускорения, при движении в кривой радиусом 300 м.
Из представленных графиков можно сделать следующие выводы:

• боковые силы от колес 1-й и 3-й колесных пар практически не изменяются и остаются в диапазоне от 33 до 30 кН при коэффициенте трения на боковой грани наружного рельса ц = 0,123-0,48;
• боковые силы от колеса 2-й колесной пары резко снижаются при повышении коэффициента трения с 32 кН (ц = 0,12) до 25 кН (р = 0,24) и до 10 кН (ц = 0,48);
• боковые силы от колеса 4-й колесной пары идентичны боковым силам 2-й колесной пары. Отличие заключается в более низких значениях боковых сил: 20 кН (ц = 0,12), 12 кН (р = 0,24), 5 кН (ц = 0,48).

Величины непогашенных ускорений влияют на вертикальные силы: происходит их перераспределение между наружным и внутренним рельсом. При отрицательных значениях непогашенного ускорения вертикальные силы, действующие на внутренний рельс, возрастают из-за перевалки кузова. Это приводит к синхронному росту боковых сил. При этом характер изменения боковых сил на внутреннем рельсе сохраняется. Чем больше отрицательное непогашенное ускорение, тем больше значение начальной боковой силы Н6 (при ц > 0,12). Это соотношение сохраняется при повышении коэффициента трения. Так, при а = 0 и ц = 0,12 боковая сила от колеса 2-й колесной пары Н62 достигает 32 кН. С изменением непогашенного ускорения до а = -0,3 м/с2 при ц = 0,12 боковая сила Н62 незначительно воз-ростает — до 35 кН.

Исследована зависимость нормальных и касательных напряжений на поверхности катания внутреннего рельса от коэффициента трения на боковой грани наружного рельса. Результаты моделирования воздействия колес грузового вагона с осевой нагрузкой 230 кН при движении в кривой радиусом 300 м с равновесной скоростью представлены на рис. 2.

Анализ графиков (см. рис. 2) позволяет сделать следующие выводы:

• нормальные напряжения от всех колес колесных пар практически не зависят от коэффициента трения на боковой грани наружного рельса в диапазоне ц = 0,124-0,48 и остаются в пределах 1360-1385 МПа;
• касательные напряжения от колес 1-й и 3-й колесных пар не зависят от
• коэффициента трения на боковой грани наружного рельса в диапазоне р = 0,124-0,48 и остаются в пределах 320 МПа;
• касательные напряжения от колес 2-й колесной пары снижаются с 320 до
• 270 МПа при увеличении коэффициента трения с 0,12 до 0,24. При дальнейшем увеличении коэффициента трения до 0,48 касательные напряжения плавно снижаются до 150 МПа;
• касательные напряжения от колес 4-й колесной пары снижаются с 240 до 175 МПа при увеличении коэффициента трения с 0,12 до 0,24. При дальнейшем увеличении коэффициента трения до 0,48 касательные напряжения повышаются до 200 МПа.

В эксплуатации коэффициент трения на поверхности катания рельса может изменяться от 0,1 (характерно для мокрых рельсов, например, при дожде или при попадании на поверхность катания листвы) до 0,5 (в сухую жаркую погоду).

Выполнено моделирование с определением изменения боковых сил, действующих на внутренний рельс, при изменении коэффициента трения на его поверхности от 0,12 до 0,48 с одновременной лубрикацией боковой грани наружного рельса. Определены значения боковых сил, действующих на наружный и внутренний рельсы, для разных значений коэффициента трения на поверхности катания.
====Графики зависимости боковых сил===
на наружном и внутреннем рельсах при коэффициенте трения на поверхности катания ц = 0,12 от коэффициента трения на боковой грани наружного рельса представлены на рис. 3.
На наружном рельсе (рис. 3, а) боковые силы направлены наружу рельсовой колеи (показаны со знаком «-»), достигая максимального значения 23 кН от набегающих колес 1-й и 3-й колесных пар и плавно снижаясь до 20 кН при изменении коэффициента трения на боковой поверхности от 0,12 до 0,48. От 2-й и 4-й колесных пар значения боковых сил ниже: 15 и 10 кН соответственно, а с повышением коэффициента трения боковой грани наружного рельса они снижаются соответственно до 10 и 3 кН.
На внутреннем рельсе (рис. 3, б) при низком значении коэффициента трения на поверхности катания боковые силы не велики. От колес 1-й, 2-й и 3-й колесных пар боковые силы в кривой радиусом 300 м при ц = 0,12 составляют 20 кН; от 4-й — 12 кН. С повышением коэффициента трения на боковой грани значения боковых сил от набегающих колес практически не изменяются. От колес 2-й и 4-й колесных пар боковые силы уменьшаются и при ц = 0,48 достигают соответственно 13 и 5 кН.
При повышении коэффициента трения на поверхности катания наружного и внутреннего рельсов боковые силы существенно изменяются (рис. 4).

При коэффициенте трения на поверхности катания ц = 0,48 при коэффициенте трения на боковой грани наружного рельса ц = 0,12 боковые силы от колес 1-й и 3-й колесных пар на наружном рельсе возрастают до 60—65 кН (рис. 4, а). По мере увеличения коэффициента трения на боковой поверхности наружного рельса до р = 0,24 боковые силы от колес 1-й и 3-й колесных пар снижаются до 50—60 кН, оставаясь достаточно высокими. Боковые силы на наружном рельсе от 2-й колесной пары достигают 40 кН; от 4-й — 20 кН, более интенсивно снижаясь с повышением трения на боковой грани наружного рельса.
Аналогичный характер носят изменения боковых сил на внутреннем рельсе (рис. 4, б). При ц = 0,12 значения боковых сил от набегающих 1-й и 3-й колесных пар составляют 55-60 кН; от 2-й колесной пары — 42 кН; от 4-й — 24 кН. При повышении коэффициента
трения до ц = 0,24 боковые силы снижаются от набегающих 1-й и 3-й колесных пар до 42—47 кН; от 2-й — до 23 кН; от 4-й — до 10 кН.

Таким образом, коэффициенты трения, как на боковой грани наружного рельса, так и на поверхности катания наружного и внутреннего рельсов, значительно влияют на боковые силы, действующие от колес подвижного состава как на наружный, так и на внутренний рельс, способствуя тем самым возникновению высоких (касательных) напряжений сдвига в зонах контакта колеса с рельсом.

Заключение

Выполненные теоретические исследования показали, что трение, как на боковой грани наружного рельса, так и на поверхности катания наружного и внутреннего рельсов, явлется мощным фактором, влияющим на изменение боковых сил от колес подвижного состава как на наружный, так и на внутренний рельс, определяя тем самым высокий уровень напряжений сдвига на поверхности катания внутреннего рельса.
Эффективным способом контроля сил в системе «колесо—рельс» является изменение свойств межфазного слоя. Применение модификаторов трения с коэффициентом 0,30—0,35 обеспечивают достаточное трение для торможения и тяги поездов, но не настолько высокое, чтобы способствовать контактной усталости при качении.

Список источников

1. Эффективность лубрикации рельсов // Железные дороги мира. 2011. № 1. С. 65—68.
2. Влияние управляемого изменения коэффициента трения головок рельсов на снижение бокового воздействия на путь и повышение весовых норм грузовых вагонов / В.С. Коссов, Ю.А. Панин, В.П. Гриневич, А.В. Трифонов // Вестник Научно-исследовательского и конструкторско-технологического института подвижного состава. 2014. № 96. С. 4-10.
3. Коссов В.С., Панин Ю.А., Трифонов А.В. В перспективе — комбинированная лубрикация // Локомотив. 2006. № 12. С. 32-33.
LUBRICATION INFLUENCE ON THE LOW RAIL STRENGTH LOAD
Krasnov Oleg — D.Sc., Head of Track and Special Rolling Stock Department of JSC «VNIKTI». Kolomna, Russia, krasnov-og@vnikti.com
Akashev Mikhail — Development Engineer of Track and Special Rolling Stock Department of JSC «VNIKTI». Kolomna, Russia. akashev-mg@vnikti.com
Nikonova Natalya — Principal Software Engineer of Track and Special Rolling Stock Department of JSC «VNIKTI». Kolomna, Russia. nikonova-nm@vnikti.com
Abstract. The article provides the results of a study on impact of high-rail gauge face lubrication on force loading in small radius curves.
The Universal Mechanism software package was used to simulate the movement of an open car with an axial load of 230 kN and 18-100 bogies along a 300 m radius curve at various friction coefficients of the high-rail gauge face and the running surface. Lateral forces, tangential and normal stresses were defined as a function of the friction coefficient of the high-rail gauge face.
Based on the results received it should be noted that the magnitude of the coefficient of friction both of the high-rail gauge face and the high-and low-rail running surface is a powerful factor that impacts the variation of applied lateral wheel forces acting on both high- and low-rail thus accounting for the occurrence of high tangential stresses in wheel-rail contact surface areas.
Keywords: high-rail gauge face coefficient of friction, running surface coefficient of friction, rail force loading, lateral forces acting on a low-rail, simulation, tangential and normal stresses, lateral forces, creep forces.
Citation link: Krasnov O.G., Akashev M.G., Nikonova N.M. Lubrication Influence on the Low Rail Strength Load // Railway Track and Track Facilities, 2024. № 1. P. 6-9.