Admin

Внешний замыкатель ВЗ-7: методы повышения надежности

ЛОГВИНОВ Валерий Иванович, ОАО «РЖД», Проектноконструкторского бюро по инфраструктуре, заместитель начальника отделения автоматики и телемеханики, Москва, Россия

МИНАКОВ Евгений Юрьевич, Российская открытая академия транспорта (МИИТ), ведущий научный сотрудник, главный инженер проекта, канд. техн, наук, Москва, Россия

МИНАКОВ Денис Евгеньевич, Российская открытая академия транспорта (МИИТ), доцент, канд. техн, наук, Москва, Россия

ПЕНЗЕВ Пётр Васильевич, ОАО «ЭЛТЕЗА», Армавирский электромеханический завод, главный инженер, г. Армавир, Россия

Ключевые слова: стрелочный перевод с непрерывной поверхностью катания, электропривод, внешний замыкатель, кинематическая схема, колесо, остряк, рамный рельс
Аннотация. Стрелочные переводы с непрерывной поверхностью катания используются на российских дорогах уже более сорока лет. В условиях эксплуатации стало понятно, что требуется модернизация их конструкции, а также необходимы современные материалы и новые эффективные технологии изготовления.


При организации движения поездов по прямому пути со скоростью свыше 140 км/ч применяют стрелочные переводы с непрерывной поверхностью катания (НПК). Их остряки замыкаются с помощью внешних замыкателей, прилегая непосредственно к рамному рельсу. Крестовина имеет подвижный
сердечник (ПСК), который также замыкается с помощью внешних замыкателей, примыкая прямо к усовику крестовины. Кинематическая схема стрелочного перевода с НПК и крестовиной М1/11, предусмотренная проектом ПКТБ ЦП 2726, приведена на рис. 1.


На стрелочном переводе используются крестовины СП-12К с ходом шибера 220 мм, которые помимо перевода остряков и ПСК обеспечивают работу внешних замыкателей. Такая компоновка обеспечивает движение подвижного состава по стрелочному переводу в прямом направлении со скоростью до 200 км/ч. В настоящее время на сети ОАО «РЖД» в эксплуатации находятся более 1200 стрелочных переводов с НПК. Более чем за 15-летний период эксплуатации работающие в их составе внешние замыкатели ВЗ-7 показали свою надежность.
Конструкция внешнего замыкателя ВЗ-7 разработки ГТСС показана на рис. 2. На рисунке приняты следующие обозначения: 1 - рамный рельс; 2 -остряк; 3 - узел регулировки плотности прижатия остряка к рамному рельсу; 4 - ведущая планка; 5 -серьга крепления кляммеры к остряку; 6 - кляммера; 7 - струбцина; 8 - узел регулировки межострякового расстояния; 9 - межостряковая изоляция; 10, 11 -упоры; 12 - узел крепления фигурной и ведущей планок; 13 - изоляция; 14, 15 - прижимные винты; 16, 17 - ведущие планки; 18 - узел крепления упоров; 19 - межостряковая соединительная тяга; 20 - рабочая тяга; 21 - направляющая.
Циклограмма работы внешнего замыкателя типа ВЗ-7 при переводе и замыкании остряков стрелочного перевода представлена на рис. 3. Принцип его действия следующий. В исходном положении (рис. 3, а) левый остряк замкнут левой кляммерой, находящейся на выступе фигурной планки. Через ведущую планку она с помощью шарнирного соединения скреплена с рабочей тягой. Правый остряк в крайнем отведенном положении удерживается межо-стряковой соединительной тягой. Правая кляммера занимает свободное положение между основанием и правой фигурной планкой.
В начале движения шибера (рис. 3, б) выступ левой фигурной планки снимает запирание с левой кляммеры. Выступ правой фигурной планки правой кляммеры выбирает зазор и занимает позицию для перевода. Далее левый остряк размыкается (рис. 3, в).

Левая кляммера перемещается во впадину правой фигурной планки, которая с помощью заклинивающего выступа начинает вести правую кляммеру.
При подходе правого остряка к рамному рельсу (рис. 3, г) правая кляммера оказывается на границе замыкания, а левая кляммера - в вырезе фигурной планки.
После завершения перевода правая кляммера выталкивается вверх выступом правой фигурной планки и занимает положение под кляммерой (рис. 3, д), таким образом замыкая правый остряк. Левый остряк занимает свободное положение между основанием и фигурной планкой и при помощи межостряковой соединительной тяги удерживается в отведенном положении. Далее происходит внутреннее замыкание шибера электропривода. Питание электродвигателя отключается, и стрелка получает контроль положения, что свидетельствует об окончании ее перевода.



Представленное описание объясняет алгоритм работы стрелочного перевода с внешними замыкателями ВЗ-7 при переводе стрелки. По такому алгоритму работают все отечественные и многие зарубежные замыкатели независимо от их конструктивных отличий.
Конструкция серийно выпускаемого внешнего замыкателя ВЗ-7 обеспечивает замыкание и удержание остряка относительно ближнего рамного рельса при воздействии бокового давления колеса на головку рельса с нормированным усилием не менее 50 кН. Это усилие удержания остряка на отжим от рамного рельса, благодаря чему он надежно удерживается в прижатом к рамному рельсу состоянии с установленной величиной зазора между ними. Однако, как показывают результаты эксплуатации [1], такая конструкция не устойчива к воздействию вертикальных усилий от осевой нагрузки колеса на рельс G/2 и прогиба (просадке) пути при проходе подвижного состава по стрелке.
Изломы основания направляющей ведущей планки внешнего замыкателя ВЗ-7, которые произошли на Горьковской и Октябрьской дорогах, приведены на рис. 4, 5 соответственно. Для определения причин излома ученые и разработчики провели анализ этих случаев, выполнили исследования и расчеты. В результате были выработаны технические решения для устранения выявленных недостатков. Авторы статьи представляют читателям результаты проделанной работы.
Прежде всего был исследован механизм контактирования колеса подвижного состава с рамным рельсом и остряком стрелочного перевода при въезде подвижного состава в противошерстном направлении на стрелку, оборудованную ВЗ-7. Давление колеса на поверхность головки рамного рельса приводит к его прогибу и, как следствие, к просадке верхнего строения пути в данной точке [2, 3]. Такой процесс считается нормальным, если величина просадки соответствует нормам содержания пути, так как верхнее строение пути представляет собой упругую систему, состоящую из опирающихся на шпальную решетку и балласт рельсов [4, 5, 6].
Схема контактирования колеса подвижного состава с рамным рельсом при вкатывании подвижного состава на стрелку в противошерстном направлении приведена на рис. 6. На схеме приняты следующие обозначения:

А - мгновенная точка касания гребня и боковой грани головки рельса;
В - мгновенная точка набегания гребня колеса на грань головки рельса;
С - мгновенная точка контакта вертикального воздействия колеса подвижного состава и головки рельса - мгновенный центр скоростей (МЦС);
lk - расстояние от точки С до точки бокового контакта А (гребень колеса плотно прижат к головке рельса);
1В - величина минимального приближения колеса к точке контакта с острием остряка.


Точка плоской фигуры, скорость которой в данный момент времени равна нулю, называется мгновенным центром скоростей (МЦС) [7]. На схеме МЦС находится на расстоянии 1К от точки С. При этом гребень колеса будет плотно прижат к головке рельса.
Это означает, что в зоне приближения колеса к острию остряка стрелочного перевода (точка В) при противошерстном движении колесная пара еще не вкатилась на остряк, т.е. остряк еще не воспринимает вертикальное давление (силовое) колеса от нагрузки на ось. При этом от вертикального давления колеса происходит просадка рамного рельса, а остряк остается на месте. Фактически величина просадки зависит от состояния подбивки стрелочных брусьев и может достигать 15 мм.
Безусловно, для обеспечения безопасности движения поездов очень важно совместное перемещение рамного рельса и остряка как в горизонтальном направлении (поперек оси пути), так и в вертикальном направлении при просадке пути. Этого можно добиться только при применении внешнего замыкателя, который замыкает остряк непосредственно к рамному рельсу. При этом конструкция внешнего замыкателя должна быть равнопрочной и не допускать искусственных превышений действующих сил и напряжений при движении подвижного состава по стрелке.
Движение колеса по рельсу имеет непрерывный волновой характер, зависящий не только от колебания подвижного состава, но и от геометрических параметров самого колеса по кругу катания. Благодаря этому обеспечивается его плавное движение в колее, особенно в кривых участках пути, а также вращение жестко насаженных на одну ось колес, без проскальзывания по рельсу одного относительно другого. Такое движение определяет результирующая сила - сумма усилий от воздействия различных видов колебаний, происходящих в данный момент в исследуемой кинематической колебательной системе «колесо-рельс»:


где Qo - значение бокового усилия колеса подвижного состава на рельс в статическом режиме;
Q( - амплитудное значение бокового усилия составляющего колебательного процесса движущегося подвижного состава;
i - один из шести видов основных постоянно действующих колебательных процессов подвижного состава во время движения;
С - дополнительные виды нагрузок (ветровая; нагрузка, вызванная наклоном пути в плане и др.).
С энергетической точки зрения анализ механизма контактирования колеса с рельсом показывает, что в момент, когда функция cos rot » 1, в зоне контакта колеса и рельса значение Qj максимально.
Схема контактирования колеса подвижного состава с рамным рельсом при воздействии вертикального усилия колесной пары при въезде на стрелку в пошер-стном направлении приведена на рис. 7.
На схеме приняты следующие обозначения:
G/2 - расчетное вертикальное усилие воздействия колеса подвижного состава на рамный рельс (при расчете G/2 = 275/2 кН);
G - нагрузка на ось колесной пары подвижного состава;
А - величина просадки рамного рельса (при расчете А = 15 мм);
Q - реакция (усилие) ведущей планки на воздействие кляммеры при давлении колеса на рамный рельс (просадка);
А - расстояние между точками приложения силовых параметров Q и А (при расчете А = 300 мм);
О - точка МЦС при динамическом проходе колеса по рамному рельсу в зоне стрелочного перевода;
Б - расстояние между точкой приложения силового воздействия Q и точкой О (при расчете Б = 20 мм);
К1 и К2 - крайние точки контакта кляммеры замыкателя ВЗ-7 с рабочей поверхностью ведущей планки;
R - расстояние от точки МЦС до точки контакта К1.


В процессе эксплуатации при проходе подвижного состава по стрелке в результате давления колесной пары на рельсы с осевой нагрузкой Q (до 27,5 т на ось) происходит просадка железнодорожного пути до 15 мм. Если в этот момент колесо не наехало на остряк, он, опираясь на подкладки, остается на месте (не прогибается). В этом положении кляммера кулачковой части опускается вместе с рамным рельсом на величину прогиба. Точка контакта кляммеры и рабочей поверхности ведущей планки Кг вращаясь вокруг МЦС (точка О), переходит в точку К2. При этом расстояние между МЦС и точкой контакта увеличивается, усиливая реакцию Q пропорционально соотношению плеч А и Б.
Рассмотрим механизм работы внешнего замыкателя в сопряжении остряка с рамным рельсом (см. рис. 7). Вычислим максимально возможное значение реакции Q. Это усилие воздействия кляммеры на ведущую планку и, соответственно, на ее корпус при давлении колеса на рамный рельс. Оно не зависит от величины просадки пути и определяется по формуле:


где кд - коэффициент динамики.
При движении на подвижной состав постоянно действуют шесть видов колебательных процессов: «подпрыгивание», «галопирование», «виляние», «покачивание», «занос», «подергивание», поэтому в формуле (2) вводится коэффициент динамики к .
Теоретически максимальное значение коэффи
циента колебания может быть к < 4. Если кд > 4, то колесо просто оторвется от головки рельса.
Практически кд < 2 (при расчете кд = 1,8). Подставляя это значение в формулу (1), получим амплитудное значение усилия воздействия кляммеры на ведущую планку и далее на корпус направляющей ведущей планки при давлении колеса на рамный рельс (просадке):


Именно это усилие, возникающее в результате просадки пути при проходе подвижного состава, и приводит к излому основания направляющей ведущей планки.
Проведенный расчет конструкции основания направляющей внешнего замыкателя ВЗ-7 однозначно подтверждает недостаточную прочность изделия. Расчетное напряжение, возникающее в опасном сечении, значительно выше предельной прочности материала конструкции и допустимых напряжений при работе замыкателя.
На основании изложенного можно сделать вывод, что конструкция основания направляющей внешнего замыкателя ВЗ-7 не имеет достаточной прочности. При воздействии максимальных осевых нагрузок коэффициент запаса прочности меньше единицы, что и приводит к ее разрушению.


Существуют три варианта решения проблемы. Первый - добиться исключения просадки верхнего строения пути при воздействии подвижного состава при движении по стрелочному переводу. Второй -разработать внешний замыкатель, основание которого имеет достаточную прочность (К > 4), что исключит излом. Третий - создать внешний замыкатель, конструкция которого полностью исключит или сведет к минимуму усилие Q. Реализация этого решения позволит избежать реакции основания направляющей ведущей планки на воздействие кляммеры при давлении на рамный рельс (просадку) как паразитное силовое воздействие. Именно этот вариант является реальным для исполнения. Остальные решения не могут быть реализованы практически, поскольку спорить с колесом о том, кто сильней - бесполезно.

Внешний замыкатель ВЗ-8 с измененной геометрией механизма замыкания и дополнительным устройством принудительного размыкания кляммеры показан на рис. 8. На рисунке видно, что если в процессе прохода подвижного состава происходит просадка рамного рельса, то точка контакта кляммеры с ведущей планкой К2 находится на участке рабочей поверхности К1 - К2. В итоге создается плечо Б, и в конструкции кулачкового механизма образуется паразитный момент, создающий усилие Q - реакцию корпуса направляющей ведущей планки. В новой конструкции кулачкового механизма паразитный момент теоретически может быть образован, если ось крепления кляммеры к остряку будет проседать относительно рамного рельса. Однако благодаря особенностям конструкции подобные ситуации при эксплуатации исключены.
Конструкции кляммеры внешнего замыкателя ВЗ-7 и кляммеры внешнего замыкателя новой конструкции ВЗ-8 с измененной геометрией запорного кулачкового механизма показаны на рис. 9.
Следует отметить, что описанный недостаток конструкции внешнего замыкателя ВЗ-7 будет устранен в ближайшее время. Однако серийное производство замыкателей усовершенствованной конструкции начнется только после проведения комплекса испы
таний, включая опытную эксплуатацию. Эти испытания запланированы в этом году на станции Новки-1 Горьковской дороги.

СПИСОК источников

1. Протокол заседания рабочей группы Конструктората по стрелочной продукции Центральной дирекции инфраструктуры от 22.06.2021 №ГоркДИГ-131/пр. Приложение № 1. Замечания, выявленные в процессе эксплуатации стрелок с НПК с внешними замыкателями ВЗ-7 / ОАО «Российские железные дороги». М., 2021.2 с . (Внутренний документ).
2. Горелик А.В., Минаков Д.Е. Методы обеспечения безопасности перевода, замыкания и контроля положения стрелок : монография. М.: РУТ (МИИТ), 2021. 142 с.
3. Минаков Е.Ю., Минаков Д.Е. Анализ надежности устройств замыкания стрелочных переводов // Автоматика, связь, информатика. 2014. № 4. С. 13-15.
4. Глюзберг Б.Э. Проектирование стрелочных переводов для высоких скоростей движения на ответвленное направление // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 1993. № 8. С. 18-22.
5. Глюзберг Б.Э. Стрелочные переводы нового поколения для железных дорог России // Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири : тезисы докл. научн.тех. конф. Новосибирск: ВНИИЖТ, 1997. С. 21-24.
6. Минаков Д.Е., Горелик А.В. Безопасный перевод и замыкание стрелки : проблемы и методы решения : монография. М.: Российский университет транспорта, 2019. 61 с.
7. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1988. 640 с.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

Александр

Очень интересная статья.
Побольше бы таких.
Но, к сожалению, статьи такого качества в Мурзилке встречаются раз в несколько лет.

__________________
"Не думай. Думаешь - не говори. Думаешь и говоришь - не пиши. Думаешь, говоришь и пишешь - не подписывай. Думаешь, говоришь, пишешь и подписываешь - не удивляйся."
Ф.Э. Дзержинский.

Legon

именно на новках-1 нужно провести сравнение насколько расходится входящее и исходящее из малой окрестности в точке А, т.к. родственники погибшего мастера пути ждут ответов на интересующие их вопросы.
Получается подстелили пацанчиков из ШЧ-1 в моменте кд > 4