[03-2020] О взаимодействии в системе "Колесо-рельс" на участках высокоскоростного движения
 

О взаимодействии в системе "Колесо-рельс" на участках высокоскоростного движения

ЛИСИЦЫН А.И., ОАО «Российские железные дороги», директор Проектно-конструкторского бюро по инфраструктуре (ПКБ И) — филиала ОАО «РЖД»,
АБДУРАШИТОВ А.Ю., ОАО «Российские железные дороги», начальник отдела ПКБ И

Несовершенство взаимодействия в системе «колесо-рельс» приводит к увеличению интенсивности износа рельсов, а также негативно влияет на тяговые характеристики локомотивов, увеличивает сопротивление движению поездов и нагруженно-сти пути и, как следствие, снижает ресурс элементов конструкции пути. Несогласованность профилей колеса и рельса может привести к изломам рельсов и колес (разрыву бандажа); сдвигу рельсошпальной решетки; раскантовке колеи; вкатыванию колеса на головку рельса; увеличению износа (снижению ресурса) бандажей, рельсов и рельсовых скреплений.
Если службы, ответственные за содержание подвижного состава и пути, будут предпринимать меры по оптимизации системы «колесо— рельс» независимо друг от друга, то это может взаимно свести на нет возможные улучшения, а в некоторых случаях — даже дать отрицательный эффект. Труднее всего добиться согласованных действий разработчиков и собственников подвижного состава и владельца инфраструктуры (пути), а также совместного определения стратегии улучшения взаимодействия колес и рельсов в целях получения эффективной оптимизации работы подвижного состава и пути, а следовательно, достижения устойчивого взаимодействия в системе «колесо—рельс».

Необходимо определить фактические условия эксплуатации, исходя из которых — разработать на длительную перспективу нормы по текущему содержанию, обслуживанию и ремонту технических средств железнодорожного транспорта с учетом их рентабельности. Срок службы рельсов и колес сокращается при ухудшении условий их контакта вследствие смещения полосы контакта или смятия головки рельса. Регулярным снятием металла можно контролировать контактную усталость рельса, которая взаимосвязана с внутренними дефектами. Регулировать интенсивность возникновения и скорость развития дефектов можно периодическим восстановлением профиля рельсов.

Одним из способов снижения интенсивности износа в системе «колесо—рельс» и сокращения затрат топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов в современных условиях является совершенствование профилей поверхностей катания колеса и рельса. При этом разработка взаимоувязанных профилей возможна раздельно для линий скоростного и высокоскоростного (учитывая ограниченность полигона), грузового и тяжеловесного движения, а также для линий, работающих в условиях совмещенной эксплуатации.
В рамках работы по теме «Разработка комплекса мер для улучшения взаимодействия по системе «колесо—рельс» для участков высокоскоростного движения» специалистами ПКБ И проведены измерения профилей рельсов и колес на участке Клин—Подсолнечная, I путь, 584 км ПК1—585 км ПК8.
НПЦ ИНФОТРАНС представил в ПКБ И данные измерений по очертанию профилей рельсов, их подуклонке, наклону поверхности катания, ширине колеи, неровностям на поверхности катания рельсов (в том числе, импульсным) на линии Санкт-Петербург—Москва на следующих участках:

• Любань—Торфяное, I путь, 82—109 км;
• Малая Вишера—Бурга, I путь, 161—181 км;
• Бурга—Мстинский мост, I путь, 181—189 км;
• Торбино—Боровенка, I путь, 215—231 км;
• Боровска—Окуловка, I путь, 231—249 км;
• Окуловка—Угловка, I путь. 249—269 км;
• Алешинка—Березайка. I путь, 296—305 км;
• Березайка—Бологое-Московское, I путь, 305— 319 км;
• Бушовец—Академическая, I путь, 326—345 км;
• Елизаровка—Осеченка, I путь, 370—379 км.

Также специалистами ПКБ И выполнены измерения профилей колес скоростного электропоезда «Сапсан» в депо «Металлострой». При посещении цеха по проведению плановых техобслуживания (ТО) и техремонта (ТР) поездов «Сапсан» специалистами ПКБ И произведен замер прибором ИПК-01 (рис. 1) колесных пар вагонов №10, 9 и 8 с левой стороны.


На рис. 2 показан профиль колеса рельса скоростного электропоезда «Сапсан» по итогам измерения прибором ИПК-01. На основании полученных данных смоделировано взаимодействие колеса и рельса для определения пятна контакта и рассчитаны динамические нагрузки.
Работниками депо «Металлострой» произведены замеры колесных пар прибором Siemens Calipri-Wheel CW-40 (Установка автоматизированная, бесконтактного измерения геометрических параметров колесных пар подвижного состава), который предназначен для измерения геометрических параметров профиля колес, тормозных дисков, толщины обода (бандажа), а также расстояния между ободьями (бандажами) колес локомотивов и вагонов магистральных дорог с шириной колеи 1520 мм. Прибор применяется при проведении контроля и ремонтов в пунктах технического осмотра в условиях депо и ремонтных заводов ОАО «РЖД». Для измерения геометрических параметров колесных пар используется оптоэлектронный лазерный датчик с камерой, сканирующей контур измеряемого объекта.
Также сотрудниками депо «Металлострой» были предоставлены данные по пробел, измеренных колесных пар:

• вагон №8, 1-я колесная пара. — пробег от обточки 240 т • км;
• вагон №9, 4-я и 3-я колесные пары. — пробег от обточки 240 т ■ км;
• вагон №10, 4-я и 3-я колесные пары, — пробег от обточки 34 т-км.

Измерительным комплексом ИПК-01 произведены замеры указанных колесных пар с левой стороны. Технические возможности данного прибора позволяют получать графические рисунки профиля колеса (рис. 3) и методом наложения производить моделирование взаимодействия колеса и рельса.
Работники ПКБ И, в свою очередь, обобщили полученные данные и привели их к формату, удобному для моделирования при различных видах контактирования.
Напряженно-деформированное состояние системы «колесо—рельс» при одноточечном контактировании. Проведен расчет напряженно-деформированного состояния вагонного колеса электропоезда «Сапсан» и различных типов рельсов (как российского, так и зарубежного производства), проведен расчет рельсов Р65 с различной степенью износа головки, а также колес электропоезда «Сапсан» (как новых, так и с различной степенью проката).


Осциллограмма напряжений приведена на рис. 4. Результаты расчетов приведены в табл. 1.
В табл. 2 представлены результаты расчетов для двух видов изношенного колеса: со средним и максимальным износом. Для российского типового рельса Р65 выполнен расчет обоих видов износа, а для зарубежных типов рельсов выполнен расчет при наибольшем износе вагонного колеса.
Напряженно-деформированное состояние системы «колесо—рельс» при двухточечном контактировании. Проведен расчет напряженно-деформированного состояния вагонного колеса электропоезда «Сапсан» и различных типов рельсов при двухточечном контактировании. В зоне контакта введен коэффициент трения f = 0,3. Результаты расчетов представлены в табл. 3.
Напряженно-деформированное состояние системы «новое колесо—изношенный рельс». Принимая во внимание, что профили изношенного рельса будут примерно одинаковы для всех типов рельсов (ввиду взаимодействия с колесами российского производства), достаточно рассчитать один вариант контактирования нового колеса и изношенного рельса. Осциллограмма напряжений приведена на рис. 5. Максимальные напряжения составляют 509,34 МПа.
Напряженно-деформированное состояние системы «изношенное колесо—изношенный рельс» при различных видах контактирования. Проведен расчет напряженно-деформированного состояния максимально изношенного вагонного колеса электропоезда «Сапсан» и изношенного рельса при одноточечном и двухточечном контактированиях.
Осциллограмма напряжений приведена на рис. 6. Максимальные напряжения составляют 952,11 МПа.
Влияние подуклонки на величину контактных напряжений. Проведен расчет напряженно-деформированного состояния системы «новое вагонное колесо—новый рельс Р65» при различных значениях подуклонки — от 0 до 1/12.
Результаты расчетов приведены в табл. 4.


Таким образом, расчет контактных напряжений выполнен для случаев взаимодействия новых рельсов типов 132RE, 136RE, 140RE, 141 АВ, UIC60, Р65 и нового вагонного колеса электропоезда «Сапсан» при нагрузках 17 и 19 тс/ось, а также для следующих случаев: изношенного рельса типа Р65 и нового колеса электропоезда «Сапсан»; нового рельса типа Р65 и среднеизношенного и максимально изношенного колеса электропоезда «Сапсан»; изношенного рельса типа Р65 и максимально изношенного колеса электропоезда «Сапсан». Для одноточечного контакта расчеты выполнены при условии контактирования по оси симметрии рельса, для двухточечного — при действии боковой силы 5 тс и с учетом сил трения в зоне контакта.
В результате моделирования установлено следующее:

• при взаимодействии со стандартным вагонным колесом в рельсах типа 132RE, 136RE, 140RE, имеющих радиус поверхности катания 254 мм, что в 1,97 раза меньше радиуса поверхности катания рельса типа Р65, контактные напряжения на 25—26 % превышают напряжения, возникающие в рельсах типа Р65;
• в рельсах типа UIC60, имеющих радиус поверхности катания 300 мм, что в 1,67 раза меньше радиуса поверхности катания рельса типа Р65, контактные напряжения на 18 % превышают напряжения, возникающие в рельсах типа Р65;
• в рельсах типа 141 АВ, имеющих радиус поверхности катания 203 мм, что почти в 2,5 раза меньше радиуса поверхности катания рельса типа Р65, контактные напряжения на 36 % превышают напряжения, возникающие в рельсах типа Р65. Данное обстоятельство показывает, что применение на российских железных дорогах рельсов европейского, американского и иных профилей с радиусом выкружки не 500, а 200, 300 мм неэффективно;
  
• для случая изношенного рельса и изношенного колеса наблюдается контактирование по верхней выкружке рельса (конформный контакт). При этом контактные напряжения на 20—25 % меньше контактных напряжений по боковой поверхности рельса при двухточечном контакте.

Выводы

1. Одним из основных факторов, определяющих уровень контактных напряжений, при прочих равных условиях является соотношение радиусов поверхности катания колеса и рельса.
2. При отклонении от первоначального очертания профилей увеличиваются напряжения в контакте «колесо—рельс» в зависимости от степени износа рельсов и величины проката колес. При изменении радиуса выкружки рельса от 500, 80, 15 до 600, 90, 17 в сторону увеличения и до 300, 70, 12 в сторону уменьшения практически линейно растут напряжения в контакте «колесо—рельс». Дальнейшее увеличение или уменьшение радиуса «выкружки» профиля головки рельса приводит к резкому возрастанию контактных напряжений; на участках Октябрьской железной дороги линии Санкт-Петербург— Москва это происходит при пропуске тоннажа от 40 до 50 млн т груза брутто.
3. В целях обеспечения конформного контакта необходимо:
особое внимание уделять очертанию профиля. Для этого следует проводить контроль качества выполнения шлифовки с получением численных значений радиуссз очертания профиля рельсов;
проводить оценку состояния подуклонки рельсов. Так, при отклонении подуклонки более 1/40 и менее 1/14 напряжения в контакте - колесо—рельс» увеличиваются почти в два раза.

Список источников

1. Абдурашитов А.Ю. О влиянии особенностей профилей колес и рельсов на их взаимодействие // Путь и путевое хозяйство. 2015. № 11. С. 2—7.
2. Коган А.Я., Абдурашитов А.Ю. Прогнозирование отказов рельсов по дефектам контактно-усталостного происхождения // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2014. № 4. С. 3-7.
3. Расчет контактных напряжений различных типов рельсов / А.Ю. Абдурашитов, А.В. Аникеева, В.А. По-кацкий, Д.В. Овчинников // Повышение эффективности и надежности работы рельсов: сборник статей / ВНИИЖТ. М.: Интекст, 2011. С. 33-60.
4. Ромен Ю.С. Проблема формы профиля в системе «колесо—рельс» // Путь и путевое хозяйство. 2016. № 11. С. 35-39; № 12. С. 22-24.
5. Шур Е.А., Борн А.И., Абдурашитов А.Ю. Увеличить ресурс рельсов, лимитируемый их боковым износом // Путь и путевое хозяйство. 2017. № 5. С. 2—8.
6. Лисицын А.И., Абдурашитов А.Ю. О продлении межремонтного эксплуатационного ресурса рельсов // Путь и путевое хозяйство. 2019. № 2. С. 2—6.
7. Лисицын А.И. Перспективы развития конструкции верхнего строения пути и его элементов // Путь и путевое хозяйство. 2019. № 10. С. 2—7.
8. Голубятников А.В. Определение возможных причин повышенных ускорений на элементах ходовых частей тележек и кузове вагона высокоскоростного поезда «Сапсан». Отчет НИР ЦДИ ОАО «РЖД» от 28.03.2019. 209 с.