Admin

О проблеме динамики и надежности "колесо-рельс" тепловозов

«Каждый новый шаг вперед в деле понимания явлений, определяющих решение задач в области железнодорожной техники, по возможности, должен неотлагательно получать широкую известность между инженерами».

Н.П. Петров, профессор, академик — основоположник гидродинамической теории смазки
Я.А. НОВАЧУК, канд. техн, наук, профессор,
А.Н. ТЕПЛЯКОВ, канд. техн, наук, доцент,
Р.В. КОБЛОВ, П.Е. ЕГОРОВ старшие преподаватели, Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС, г. Хабаровск)

Проблема динамики «колесо-рельс» и механической части экипажей I «тягового подвижного состава, взаимодействующего с инфраструктурой железнодорожного транспорта, не нова. Она возникла вместе с появлением железных дорог, обостряясь в периоды внедрения новых типов тягового подвижного состава или качественного изменения состояния инфраструктуры — при повышении скорости движения поездов, осевых нагрузок и прочих событиях.

Интенсивный переход в 1950-е годы на прогрессивные виды тяги (тепловозы ДА, ДБ, ТЭ2, ТЭЗ) сформировал ряд новых, неисследованных к тому времени, проблем динамики тележечных экипажей с индивидуальным электрическим приводом каждой колесной пары. Заявившая о себе проблема динамики взаимодействия колесно-моторных блоков (КМБ) и рельсовой колеи в период реконструкции тяги и несколько позже не имела достаточного научного обоснования или хотя бы пояснения динамических явлений.
Для решения задач безопасности движения, тягово-сцепных свойств, динамики и конструкционной надежности экипажной части локомотивов Центральный научно-исследовательский институт МПС СССР (ЦНИИ МПС, ныне АО «ВНИИЖТ») с 1955 г. приступил к широкомасштабным исследованиям в этой области. Сложность решения обозначенных задач и их многофакторность привели к тому, что преобладающими стали экспериментальные методы оценки динамических характеристик тягового подвижного состава с тележечной экипажной частью [1].
Вначале 1970-х годов коллективам научно-исследовательских институтов и заводов транспортного машиностроения были поставлены трудные, но вместе с тем и почетные задачи — создать более мощные и экономичные магистральные тепловозы второго поколения, обладающие высокими тяговыми свойствами, улучшенной динамикой, повышенными показателями надежности для работы в неординарных условиях строившейся Байкало-Амурской магистрали (БАМ).
Решение многоплановых задач осложнялась тем, что в СССР и за рубежом отсутствовала проверенная практикой теория, объединяющая неординарные научные направления, гарантирующие получение заявленных характеристик тепловозов. К тому же, отраслевые ученые и машиностроители из европейской части СССР не могли объективно сопоставить сочетание множества факторов и связей с условиями, в которых предстояло работать вновь создаваемым тепловозам.
В этой связи проектирование КМБ тележечных экипажей тепловозов второго поколения (ТЭ10В,М,С,У; 2ТЭ116), выполнено с опорноосевым подвешиванием тяговых двигателей, на основе обобщенных данных эмпирических исследований различных типов и серий локомотивов первого поколения [1].
На Дальневосточной дороге (ДВЖД) проблема физического и технологического износа бандажей колес впервые заявила о себе
в 1976—1978 гг. В тот период на смену тепловозам ТЭЗ поступили новые локомотивы серии 2ТЭ10В с бесчелюстными тележками и поводковыми буксами. Служба локомотивного хозяйства ДВЖД и кафедра «Тепловозы» Хабаровского института инженеров железнодорожного транспорта (ХабИИЖТ, ныне ДВГУПС), приступили к изучению новых конструкций экипажной части, технических характеристик систем механического оборудования, технологических особенностей обслуживания и ремонта, оказывающих влияние на качественные показатели работы тепловозов в эксплуатационных условиях Восточного полигона.
Теоретической основой или математическим вектором исследований и оценки состояния заданных функций сложных технических систем, в частности КМБ тепловозов, служили ГОСТ 1377-67 и МУ 3-69. Мотивацией успешного управления ситуацией «колесо-рельс» была определена объективная необходимость — располагать непрерывными и достоверными данными состояния колесных пар и всего перечня механического оборудования экипажной части инвентарного парка тепловозов.

Для решения этой задачи в каждом локомотивном депо была создана так называемая группа надежности, а в каждой такой группе был инженер-технолог, ответственный за статистическую информацию о состоянии колесных пар инвентарного парка. Характер текущего состояния профиля бандажей каждой колесной пары локомотивов регистрировался специальным механическим прибором на каждом техническом обслуживании объема ТО-3. Незначительный износ гребня служил сигналом технологам для анализа причин и идентификации параметров текущего состояния механического оборудования экипажной части — осмотр, регулировка и, при необходимости, ремонт или замена.
Статистические результаты замеров архивировались, что позволяло планировать восстановление профиля бандажей колесных пар по прокату (6—7 мм) в интервале пробега 150—170 тыс. км и более.
Необходимо отметить, что научно-исследовательский коллектив кафедры «Тепловозы» ХабИИЖТа активно сотрудничал с Всесоюзным научно-исследовательским тепловозным институтом (ВНИТИ, г. Коломна, ныне АО «ВНИКТИ»), с отделом и одноименной лабораторией «Надежность тепловозов», которые возглавляли В.Н. Вознюк и Т.В. Ставров. Достоверные статистические данные эксплуатационной надежности и предложения первоочередных мероприятий, направленных на совершенствование оборудования тепловозного парка Забайкальской и Дальневосточной дорог, своевременно поступали во ВНИТИ [2]. Подобная информация поступала от двенадцати железных дорог СССР, являясь объективным материалом эксплуатационной верификации тепловозов, для совершенствования конструкторских и технологических решений на заводе-изготовителе, а также для коррекции научно-теоретических положений исследователей ВНИТИ. Известные ученые и исследователи — А.Н. Беляев, И.В. Бирюков,
А.Л. Голубенко, В.Н. Иванов, О.П. Ершков, В.Н. Кашников, А.Н. Коняев, С.М. Куценко и многие другие пытались глубже исследовать специфические характеристики оборудования, улучшить конструкторские решения и технологии производства слабых звеньев тепловозов типа ТЭ10 и 2ТЭ116, свойственные только данным сериям.
Недостаточное научное понимание явления взаимодействия колес подвижного состава и инфраструктуры не позволяло выполнить комплекс заявленных требований к характеристикам грузовых тепловозов на стадии проектирования. Характер неисправностей тепловозов 2ТЭ25А и ЗТЭ25К2М- отмеченных в 2022 г., показывает, что их производители механически заимствовали не лучшие конструкторские и технологические решения экипажной части тепловозов типа ТЭ10 и ТЭ116, без необходимого усовершенствования [3].
В данный момент сложилось такое положение, когда ни заказчик — ОАО «РЖД», ни транспортные машиностроители не располагают математической методологией оценки критериев динамических сил взаимодействия «колесо-рельс» на стадии проектирования, определяющих качественные показатели работы современных и перспективных грузовых тепловозов [4].

Причинами этого является следующее:

• Ф проектирование экипажной части локомотивов конструкторы выполняют в соответствии с ГОСТ Р 55513-2013 по коэффициентам динамики и статической осевой нагрузке, которые не могут в полной мере отражать числовые значения динамических сил и реакций, воздействующих на механическое оборудование и тяговые приводы в условиях эксплуатации;
• ® моделирование задач динамики экипажных частей локомотивов при несвободном движении колес выполняется моделированием по приближенным методикам, в основу которых положена поступательная (предполагаемая) скорость локомотива;
• @ динамические нагрузки на экипажную часть исследователи оценивают по приближенным значениям амплитуд возмущений, поступающих только от геометрических неровностей поверхностей рельсов и состояния инфраструктуры, приведенных к гравитационному ускорению в долях д, и по коэффициенту динамики КД подрессоренных масс, при поступательной скорости локомотивов [2 (5.2)];
• ® в известных авторам учебниках по теоретической механике имеет место противоречие в примерах определения скоростей и ускорений точек обода колеса при его несвободном, поступательно-вращательном движении без скольжения [5 — 7];
• Ф собственное, ошибочное понимание автором [8 (19), с. 47] сущности сцепления колес паровоза с рельсами, которое стало каноническим законом для «Правил тяговых расчетов локомотивной тяги» (всех девяти изданий «Правил»), где от издания к изданию повторяют — фк в СССР (и обычно в Западной Европе) понимается как отношение наибольшей действительной силы тяги на ободе колес, развиваемой ими без боксования, к сцепному весу локомотива, по формуле Екмдкс = 1000 фкР0.

Как известно, Леонардо да Винчи впервые экспериментально установил существование сил поверхностного трения двух тел, прижатых друг к другу «весомой» силой (Р). При относительном перемещении весомого тела Р возникает сила, направленная против его перемещения, т.е. Fcc — сила сопротивляющаяся сдвигу «весомого» тела. Установленные Леонардо да Винчи законы носят количественный характер статического коэффициента трения — «если весомое тело округлое и не теряет связи с гладкой поверхностью в движении, то: Fcc = 0,25-Р = (У<)РК».
Французский физик Ш. Кулон экспериментально установил различие между величиной продольной силы трения при покое (Fcc трение при начале движения — «frottement au depart», франц.) или фактор сцепления - «factor of adhesion» (англ.), когда относительное перемещение поверхностей тел, еще в состоянии покоя: ип = 0. Уравнение силы FTтрения Ш. Кулон представил выражением: FT = Fcc + f-N.

Доказательная база показывает, что выражение [8 (19)] не соответствует ни математическому толкованию понятия «формула», ни определению «коэффициент», ни физической сущности FKMAKC по модулю и по вектору касательной силы тяги локомотива, ни по интегралу момента количества движения (вектору импульса Рк), реализуемых в контактах колес и рельсов. Именно в контакте «колесо-рельс» заложены основы законов теоретической механики и физические механизмы образования локомотивной тяги.
Следовательно, комплексную проблему улучшения динамики и надежности «колесо-рельс» необходимо рассматривать на стадии проектирования с точки зрения анализа связей между имитационными математическими моделями разрабатываемых конструкций оборудования локомотивов и технологическими процессами его изготовления. Любое из указанных направлений, осуществляемое вне связи с другими, не обеспечивает комплексного и положительного решения задачи.
Однако рабочими органами Ассоциации «Объединение производителей железнодорожной техники» на перспективу запланированы направления подробных обсуждений деятельности в целях повышения качества, надежности и ресурса колесных пар подвижного
состава. Очевидно, что дискуссии по проблеме «колесо-рельс» на страницах отраслевых изданий (в течение последних 30 лет) не привели инженеров отрасли и машиностроителей к осознанию того, что вектор практического исправления ситуации направлен в сторону объединенных законов динамики в разделах классической теоретической механики.
Аргументированными примерами использования и развития теоретического наследия в практическом применении являются отечественная всемирно известная теория и алгоритмы оценки силовых критериев колес паровозов, воздействующих на рельсовую колею, разработанные профессором Н.П. Петровым [9], а также расчетно-эксплуатационная концепция законов локомотивной тяги паровозов, разработанная и верифицированная профессором Ю.В. Ломоносовым [10].

В совершенствовании конструкций оборудования отечественных проектов паровозов и его функциональных связей принимали непосредственное участие профессора М.В. Гололобов, А.С. Раевский, Н.Е. Жуковский и ряд других известных ученых и конструкторов. Качественные тяговые, скоростные и технико-экономические характеристики российских и советских паровозов соответствовали проектам и расчетам в течение всего их жизненного цикла.
Повседневно наблюдаемая механика качения колеса не уникальна, но в течение тысячелетий требовала соблюдения соотношений физических границ природы, определяемых конструкциями, динамикой и скоростью движения устройств, выполняющих производственные функции и задачи транспортных потребностей общества.
В этой связи нельзя не отметить предмет дискуссионных противоречий в кругах инженеров-железнодорожников — понимание неординарного процесса движения колеса, имеющего реборду и сложный профиль бандажа. В диссертациях, монографиях и учебниках по теоретической механике при решении задач динамики стереотипно принимают за полюс центр колеса. По этому поводу профессор М.Ф. Вериго в свое время также замечал, что «это связано, в частности, с отсутствием метода определения угловой скорости со колеса как скорости взаимодействия колеса и рельса» [11 (стр. 201)].
Замечание свидетельствует о том, что на данный момент изыскателями не обобщено и не изучено философско-математическое наследие Аристотеля, Леонардо да Винчи, Г. Галилея, И. Ньютона и других ученых, физиков и математиков, изучавших явление механики движения круга (колеса). Систематизировав фундаментальные исследования в области геометрии, математики и механики движения круга (колеса), мы пришли к заключению, что в их трудах находят место качественные описания связей и законов практической динамики формирования сил и реакций, сходящихся в одной материальной точке, в полюсе соприкосновения колес с рельсами, имеющие одно начало — скорость.

В целях информирования инженеров, создающих локомотивы и выполняющих их обслуживание, отмечаем, что для решения основных задач динамики на стадии проектирования экипажной части важно:

• определить характеристику (закон) движения точки центра масс колеса в соприкосновении с рельсом;
• создать математическую форму записи траектории и математическую форму оценки угловой скорости колес в контактах с рельсами при несвободном поступательно-вращательном движении центров масс;
• математически описать законами динамики алгоритм оценки главного момента количества движения относительно мгновенного центра (полюс) колеса и реакцию рельсовой колеи.

В работах [12 — 15] ученые Дальневосточного государственного университета путей сообщения, впервые в исследовательской практике, адаптировали к системе «колесо-рельс» математическую форму записи геометрической траектории — трансцендентной функции циклоиды, которая отражает проекцию движения точки круга качения колеса. В ссылках приведены аргументированные теоретические и практические доказательства того, что фундаментальные законы механики движения круга (в частности, железнодорожного колеса) в сравнении находятся в одном ряду с объединенными теориями проектирования сложных технических структур. Например, с теорией проектирования и расчета внутренней и внешней баллистики стрелкового вооружения и орудий, с объединенной теорией остойчивости корабля, с законами термодинамики, с теорией летательных аппаратов и другими теориями.
При таком подходе к исследованию надежности оборудования экипажей тепловозов получено качественное развитие методик инновационного математического моделирования и алгоритмов числовой оценки категорий динамики взаимодействия «колесо-рельс», которые раньше не поддавались расчету.
Неправильно установленные причины и причинно-следственные зависимости износа гребней колес локомотивов, выбор неверных ориентиров, упреждающих изнашивание (способом смазывания поверхностей гребней колес и боковых граней головок рельсов), устранение износа (восстановлением профиля на ТО-4), являются непреодолимым барьером для локомотивов на пути к «цифровым платформам» в масштабе железных дорог России.
Итоги школы передового опыта: «Повышение эффективности использования технических средств "лубрикации" и снижения износа
элементов системы «колесо-рельс», проводившейся 16—17 сентября 2010 г. в Чите, вселяли исследователям ДВГУПС положительную надежду на внедрение инновационных решений, направленных на повышение ресурса бандажей колес локомотивов.

Основанием для эмоций служило Распоряжение старшего вице-президента ОАО «РЖД» В.А. Гапановича от 12.10.2010 № 2120Р (п. 25, пп. 1.) — должностным лицам предписывалось до 01.12.2010 г. рассмотреть предложение ДВГУПС по модернизации связей тягового привода с буксовыми узлами и поводковой рамой тележки. При положительном заключении предписывалось представить предложения по организации внедрения их на сети железных дорог в процессе текущих, средних и капитальных ремонтов локомотивов.
На данный момент концепция первоочередных конструкторских и технологических новаций, направленных на сокращение обточек бандажей колес локомотивов, актуализирована под тепловозы ЗТЭ25К2М. Внедрение научно-обоснованных мероприятий обеспечит реальный и положительный тренд повышения эксплуатационной надежности и качественных показателей работы тепловозов ЗТЭ25К2М.

Библиография

1. Тележечные экипажи локомотивов для повышенных скоростей движения / под ред. К.П. Королева. М., 1962.304 с. (Труды ВНИИЖТ; № 248).
2. Предлагаем комплексную программу / В.Г. Григоренко, Я.А. Новачук, В.В. Бычек, И.Я. Новачук // Локомотив. 2002. № 4. С. 18 — 20.
3. Новачук Я.А., Никитин Д.Н., Коблов Р.В. Локомотивы БАМа нуждаются в конкретном научном сопровождении //Локомотив. 2015. № 6. С. 37 — 38.
4. Валинский О.С. Локомотивная тяга: настоящее и задачи на будущее // Локомотив. 2017. № 12. С. 2 — 6.
5. Веселовский И.Н. Сборник задач по теоретической механике. М.: Гостехиздат, 1955.500 с.
6. Мещерский И.В. Сборник задач по теоретической механике. М.: Гостехиздат, 1957.384 с.
7. Бать М.И., Джанелидзе Г.Ю., Кельзон А.С.Теоретическая механика в примерах и задачах:учебное пособие: в Зт. М.: Наука, 1967.Т. 1. Статика и кинематика. 512 с.
8. Егорченко В.Ф. Тяговые расчеты и испытания: учебное пособие М.: Трансжелдориздат, 1934.308 с.
9. Петров Н.П. Давление колес на рельсы железных дорог, прочность рельсов и устойчивость пути. Петроград: Электротипография Н.Я. Стойковой, 1915.339 с.
10. Ломоносов Ю.В. Опыты над типами паровозов. Цель опытов и их метод. Санкт-Петербург.: Тип. А.С. Суворина «Новое время», 1914.63 с.
11. Вериго М.Ф., Коган А.Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. М.: Транспорт, 1986.559 с.
12. Новачук Я.А., Григоренко В.Г., Никитин Д.Н. Инновационная теория взаимодействия колес и рельсов // Путь и путевое хозяйство. 2009. № 2. С. 22 — 26.
13. Новачук Я.А., Никитин Д.Н., Коблов Р.В. Кинематика взаимодействия «колесо-рельс» // Мир Транспорта. 2012. Т. 10, № 4 (42). С. 16 —19.
14. Новая парадигма кинематики «колесо-рельс» / Новачук Я.А., Никитин Д.Н., Коблов Р.В., Тепляков А.Н. // Известия Транссиба. 2014. № 3 (19). С. 24 — 31.
15. Коблов Р.В., Егоров П.Е., Новачук Я.А. Новое прочтение механизма образования силы тяги локомотива // Мир транспорта. 2016. Т. 14, № 5 (66). С. 6 — 18.