Особенности контактного взаимодействия колес подвижного

УДК 625.2.: 539.4.075
А.К. Кажигулов, канд. техн. наук, КазАТК
ОСОБЕННОСТИ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЕС ПОДВИЖНОГО
СОСТАВА И ПУТИ
Бұл
мақалада
жүргізуші
құрамының дөңгелегімен
жолдың
түйісу
жағдайларындағы беріктік пен қауіпсіздікке əсер ететін динамикалық есептер
қарастырылған.
In clause nonlinear problems of contact interaction of wheels of a rolling stock and a way
are considered at irregular еfforts, connected with conditions of maintenance of reliability and
traffic safety.
Надежность и безопасность движения обеспечивается, прежде всего, качеством
взаимодействия пути и подвижного состава, которое определяется как динамическими
возмущениями пути, так и геометрическими особенностями контакта колеса – рельс. При
этом основными факторами, влияющими на эксплуатационную надежность системы
подвижной состав – путь, являются:
- предельные размеры взаимодействующих элементов;
- эксплуатационные нагрузки;
- кинетические особенности контактного движения;
- внезапные отказы, связанное с усталостным происхождением.
Как показано в /2/, несмотря на увеличение погонной массы рельсов, числа шпал на
1 км, заменой песчаного балласта на щебеночный и асбестовый с увеличением толщины
его слоя под шпалами, доля отказов рельсов по износу головки и контактно-усталостным
повреждениям повышения выросла с 10 % в 1950 г. до 87 % в 1995 г., т. е. за 45 лет доля
отказов рельсов увеличилась почти на порядок. По статистической отчетности МПС РФ
по крушениям и авариям на железных дорогах Российской Федерации /3/ крушения с
грузовыми поездами происходят в основном вследствие неисправности пути – 41 %,
вагонов – 26 %, локомотивов – 23 %.
Известные экспериментальные данные подтверждают существенное влияние
кинетических особенностей контактного взаимодействия на повреждения поверхностей
катания колес и рельсов. Так, экспериментальные данные /4/ по испытанию образцов из
колесной стали ( C = 0,61 %, M n = 09 %, Si = 0,31 %, P = 0,052 %, S = 0,04 % ) показали
существенное влияние проскальзывания на усталостную прочность испытанных образцов.
При качении с 10 % проскальзыванием число циклов до разрушения по сравнению с
качением без проскальзывания уменьшается в 1,5 раза, а подача воды в контакт между
роликами привела к уменьшению числа циклов до разрушения почти в 2 раза.
Причину усталостного излома при качении с проскальзыванием профессор Л.Б.
Эрлих /5/ видит в наличии растягивающих напряжений в зоне контакта, что снижает
сопротивление пластической деформации и облегчает накопление остаточных
деформаций, необходимых для потери устойчивости, т. е. для выкрашивания. Согласно
схеме, приведенной на рис. 1 /5/, если два прижатых обкатывающихся ролика имеют
различные окружные скорости, например n 1 > n 2 (проскальзывание этим и определяется),
то поверхность первого ролика, являющаяся опережающей, будет приходить в зону
контакта сжатой и второго – растянутой. В зоне контакта подвергаются сжатию обе
поверхности, тогда одинаковые по величине нормальные напряжения вызовут
пластическую деформацию прежде того поверхностного слоя, который был
предварительно растянут, что является, по мнению /5/, одной из главных причин
пониженной контактной прочности отстающих поверхностей.
Рис. 1. Схема усталостных изломов при изгибе и выкрашивании
Но, как известно, в процессе контактного взаимодействия с проскальзыванием
колеса по рельсу в кривых имеет место как продольное, так и поперечное относительное
проскальзывание, сопровождаемое с углом поворота колесной пары вокруг вертикальной
оси, так называемый, параметр верчения, что схематически показано на рис. 2 /6/.
Рис. 2. Качение с проскальзыванием колеса по рельсу
Особенности контактного взаимодействия в кривых поэтому определяются
касательными усилиями взаимодействия колеса и рельса, определяемых, согласно
линейной теории упругого проскальзывания, в виде зависимостей /7/
Tx = - кU x ,
(1)
T у = - кU e ,
(2)
где к – коэффициент скольжения, U x , U y – скорости продольного и поперечного
проскальзываний, соответственно, которые для жесткого пути и при малых углах
поворота колесной пути имеют вид
a
r
Dr
U x = - J& + j& +
,
2n
r
n
(3)
1
U y = y& - J ,
n
(4)
где y ,J , j& – соответственно поперечное перемещение оси колесной пары, угол поворота
колесной пары вокруг вертикальной оси и флуктуации скорости вращения колесной пары
вокруг собственной оси; a – расстояние между кругами катания колес; n – скорость
движения колесной пары вдоль оси пути; r – средний радиус круга катания колеса; Dr –
флуктуации радиуса круга катания.
Величины касательных усилий Tx , T y для левого и правого колес определяют
обобщенные силы, действующие на колесную пару со стороны рельсов, которые являются
эксплуатационными возмущениями, связанными как с неровностями поверхности катания
рельсов, особенно со значениями бокового износа рельсов, так и изменениями условий
сцепления колес с рельсами. При этом износ головок рельсов в кривых с радиусом менее
500 м на участках с большой поездной нагрузкой приводит к неблагоприятным
изменениям контакта колеса с рельсом, вследствие как изменения предельных размеров
взаимодействующих элементов, так и изменения кинетических особенностей контактного
движения. Под действием износа увеличивается радиус закругления грани головки рельса,
которая обращена в сторону оси пути, нарушаются условия необходимой разницы
радиусов круга катания Dr , обеспечивающей надежное кинематическое вписывание, что
сопровождается увеличением поперечных сил на колесе. Все это сопровождается
повышенным износом рельсов и колес и увеличением нагрузки на путь.
Фрактограмммы повреждений поверхностей катания колес и рельсов в условиях
эксплутационной нагруженности приведены на рис. 3 /8/, которые являются следствием
сложного взаимодействия колесных пар подвижного состава и пути. Эти повреждения
приводят к существенным изменениям условий контактного взаимодействия по
вертикальным и горизонтальным нагрузкам, эквивалентным как неровностям поверхностей
катания колес и рельсов, так и условиям их контактного сцепления. Как правильно
отмечается в /9/, указанные возмущения не исчерпывают всего многообразия динамических
воздействий на колесные пары и служат главным образом для характеристики основных
особенностей явлений взаимодействия колес с рельсами. В частности, это касается
нелинейных задач контактного взаимодействия при нерегулярных нагружениях, связанных
с комплексной оценкой надежности системы подвижной состав – путь по критериям
контактной усталости и износостойкости.
Рис. 3. Фрактограммы поверхностей трения колес и рельсов:
а – на поверхности катания; б – на выкружке; в – на боковой грани; е – в – зоне наплывов, ´ 700
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Биттибаев С.М., Кажигулов А.К., Кулжанов С.К. Айдарбаев Р.В., Некоторые
вопросы оценки прочностной надежности колесных пар подвижного состава //Вестн.
КазАТК. 2006. № 2. С. 7–12.
2. Лысюк В.С., Желнин Г.Г., Шарапов С.Н. Повреждение рельсов и износ колес
//ППХ. 1997. № 7. С. 4–8.
3. Статистические данные МПС РФ. Общая характеристика опасности крушений и
аварий на железных дорогах Российской Федерации. М.: МПС, 2000. 21 с.
4. Ларин Т.В., Девяткин В.П. О природе выкрашивания поверхности катания
железнодорожных колес //Контактная прочность машиностроительных материалов. М.:
Наука, 1964. С. 147–151.
5. Эрлих Л.Б. Фрагменты общей теории контактных разрушений //Контактная
прочность машиностроительных материалов. М.: Наука, 1964. С. 77–87.
6. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М.: Наука, 1986. 526 с.
7. Ковалев Н.А. Боковые колебания подвижного состава. М.: Трансжелдороздит,
1957. 247 с.
8. Марков Д.П. Контактная усталость колес и рельсов //Вестн. ВНИИЖТ. 2001. №
6. С. 8–14.
9. Исследование динамики и прочности пассажирских вагонов /Под. ред. С.И.
Соколова. М.: Машиностроение, 1976. 223 с.
Статья рекомендована д-ром техн. наук проф. Джиенкуловым С.А.
20. 05. 2006 г.