Условия взаимодействия колес карьерных локомотивов с рельсами и определение рациональных геометрических параметров их контактирующих поверхностей
А.М.Керопян, к.т.н.,
П.Е. Сизин, к.ф.-м.н.,
Н.М. Кряжев, к.т.н.,
Р.К. Басов, студент, Московский Государственный Горный Университет
Известно, что на карьерном железнодорожном транспорте в качестве тяговых единиц применяются локомотивы с электрической и тепловой тягой, тяговые агрегаты, работающие как на электрической, так и на тепловой тяге, а также мотор-вагонные думпкары.
В процессе работы профили колес тяговых единиц подвижного состава и рельсового пути в силу множества процессов, протекающих в зоне пятна контакта при передаче вращающего момента от колесной пары локомотива к рельсу, подвергаются значительным нагрузкам и подвержены износу. Для обеспечения рациональных нагрузок в пятне контакта пары «колесо-рельс» должно особое внимание уделяться выбору профиля их поверхностей катания.
Интенсивному износу способствует ряд факторов, в том числе – малые радиусы закруглений карьерных рельсовых путей, пробуксовка колес тяговых средств в условиях повышенных осевых нагрузок порядка 300–350 кН и углов подъема рельсовых путей порядка 40–60‰ [1], просыпей транспортируемой горной массы и попадания продуктов разрушения тормозных колодок при торможении на рельсовый путь.
Решение задачи уменьшения износа неразрывно связано с понижением контактных напряжений в зоне взаимодействия системы «колесо-рельс». В свою очередь, величина контактных напряжений, кроме нагрузки на ось, зависит от геометрических параметров взаимодействующих тел, а именно – от радиусов контактирующих поверхностей колеса и рельса.
Данная задача известна в теории под названием «Задача Герца». При постановке и решении этой задачи Герц исходил из ряда допущений, при которых, в частности, колесо и рельс в ненагруженном состоянии касаются в одной точке, а контактные напряжения, возникающие под нагрузкой, не выходят за пределы упругости материалов, из которых изготовлены контактирующие тела. В результате, в зоне соприкосновения колеса и рельса, возникает пятно контакта, форма которого в процессе приработки приближается к эллипсу.
В реальных условиях эксплуатации в процессе износа радиусы контактирующих поверхностей постоянно меняются, а нагрузки могут выходить за пределы упругости (в связи с упругопластическим характером деформации), поэтому в зоне контакта возможно такое сочетание радиусов колеса и рельса, при котором может возникнуть вместо одноточечного – двухточечный или конформный контакты [2].
В результате, в процессе приработки, контактирующие рабочие поверхности колеса и рельса принимают идентичные очертания, т.е. становятся конформными, а площадь пятна контакта увеличивается.
Учитывая специфику эксплуатации подвижного состава в карьерах, а также то обстоятельство, что здесь до 50% от общей протяжённости путей могут составлять так называемые старогодные рельсы (уже отработавшие определенный период времени на магистральных железных дорогах [1]), очевидно, будет представлять практический интерес сравнение форм контакта системы «новое колесо с новым рельсом» и «новое колесо со старогодным рельсом».
В процессе эксплуатации рабочий профиль головки рельса вследствие износа изменяется, «уплощается», т.е. становится плоским и первоначальные радиусы кривизны рабочих поверхностей профиля головки рельса (выкружки) изменяются, как правило, в сторону их увеличения, рис. 1.
Рис. 1 Схема износа рабочей выкружки головки рельса
Следовательно, представляет интерес рассмотрение условий контактирования обода нового, т.е. вновь профилированного, колеса с верхом головки рельса и гребня колеса с боковой его гранью.
В международной практике железнодорожного движения для обеспечения минимальных контактных напряжений при движении на прямых и вписанных в кривые участки железнодорожного пути используют специальные профили колеса и рельса, которые называют конформными.
Согласно принятой международной терминологии – понятие конформности обозначает общее состояние контактирующих поверхностей профилей колеса и рельса, которые в зоне контакта имеют подобные очертания [3]. Конформный контакт бывает одноточечным и двухточечным (рис. 2).
Контакт считается плотно конформным, если зазор Δ или S между недеформированными колесом и рельсом не превышает 0,1мм. В нагруженном состоянии из-за упругой деформации колеса и рельса зазор практически исчезает, что приводит к увеличению площади эллиптической зоны контакта, которая охватывает значительную часть полосы изнашивания шириной аб = 25–38мм (рис.3).
При зазоре величиной до 0,4 мм контакт еще можно считать конформным, но плотно конформным он становится только после значительного изнашивания соприкасающихся поверхностей и накопления в них пластических деформаций [3].
При значениях Δ или S, превышающих 0,4 мм, контакт считается неконформным, так как профили полностью разъединены и не обеспечивается снижение контактных напряжений (как это имеет место при конформном контакте).
Из сказанного выше следует, что для обеспечения конформного контакта между колесом и рельсом в общем случае зазоры Δ и S должны находиться в пределах 0,1–0,4 мм. Однако, учитывая повышенную (до 350 кН) осевую нагрузку колесных пар карьерного подвижного состава плюс сравнительно низкие рабочие скорости, допускаемый зазор можно несколько увеличить и принять в интервале от 0,2 до 0,8 мм.
На эксплуатируемом в карьерах железнодорожном транспорте должны применяться рельсы Р65 ГОСТ Р51685-2000 (для прямых участков) и Р65К ГОСТ Р51685-2000 (для криволинейных участков), а для локомотивов предназначены к применению профили бандажей, предусмотренные ГОСТ и соответствующей инструкцией [4, 5].
Например, сравнивая радиус профиля гребневой области колеса R 13,5мм по ГОСТ 11018-2000, и радиус головки рельса Р65 в области выкружки R 80 мм, нетрудно заметить, что здесь может образоваться двухточечный контакт и условие существования конформного контакта при взаимодействии нового колеса с новым рельсом в данном случае вызывает сомнение. А при изношенном рельсе, когда радиусы кривизны головки рельса увеличиваются (см. рис.1), условия обеспечения конформного контакта еще более недостижимы.
Для определения условий образования конформного гребневого контакта необходимо провести соответствующее исследование.
Формулы (1) и (2) для определения зазора между рабочими поверхностями контактирующих поверхностей системы «колесо-рельс» при одноточечном (рис. 4) и двухточечном (рис. 5) контактах, полученные нами, впервые были опубликованы в сборнике докладов Международной конференции в г. Красноярск [6].
где r, R– радиусы рабочих профилей соответственно колеса и рельса; l = 1/2 аб – полуширина полоски контакта. Для обеспечения рациональных значений функций (1) и (2) необходимо выполнение условия r > l.
Учитывая применяемые в международной практике железнодорожного движения рекомендации, по этим формулам можно рассчитать параметры конформных профилей колес локомотивов и рельсов.
Для определения рациональных геометрических параметров контактирующих поверхностей системы «колесо-рельс» карьерных локомотивов по формулам (1) и (2) построены графики зависимостей зазоров S и Δ при, соответственно, одноточечном и двухточечном контактах от параметров R, r и l (рис. 6а, б, в). При построении графиков параметры варьировались в пределах: R – от 20 до 100 мм, r – от 20 до 80 мм и l – от 12 до 20 мм, что соответствует ширине полоски контакта 24–40 мм.
Из графиков рис. 6 видно, что при одноточечном контакте, зазор которого определяется формулой (1) и который может реализоваться в основном на прямолинейных участках рельсового пути, учитывая параметры кривизны верха головки рельса, следует поддерживать радиус профиля колеса r не менее 60 мм. Например, при r = 60 мм, R должен быть в пределах 70–100 мм.
Анализ графиков Δ = f2 (R, r, l), показал, что для обеспечения конформности при двухточечном контакте при радиусе кривизны профиля колеса у основания гребня r = 20 мм, радиус профиля головки рельса в районе выкружки должен быть в пределах R = 17–19 мм. При этом, при меньших значениях Rзазор Δ стремится к наибольшему значению 0,8 мм. С увеличением по мере износа радиуса r колеса диапазон допускаемых значений R увеличивается.
Расчёты показывают, что при применении старогодных рельсов, их необходимо профилировать согласно рекомендаций [7], так как радиус кривизны рабочего профиля головки стандартного рельса равен 500 мм, а у старогодного рельса может быть еще больше.
В качестве справки отметим, что радиус кривизны соответствующей поверхности головки рельсов, применяемых в США, равен 254–355,6 для рельсов 115RE, 132RE,136RE [8].
Выводы
Впервые установлены математические зависимости величины зазоров между взаимодействующими поверхностями колеса и рельса при одноточечном и двухточечном конформном контактах.
На ряде горных предприятий рассмотренным в данной работе вопросам не уделяется должного внимания: не производится шлифовка рельсового пути и своевременное профилирование бандажей колес локомотивов. Вследствие этого, не обеспечивается снижение контактных напряжений, как это имеет место при конформном контакте и, как следствие, усиливаются процессы контактной усталости и пластических деформаций, приводящие к снижению тяговых способностей локомотивов.
При использовании на карьерах старогодных рельсов целесообразно проводить своевременное профилирование рельсов и колесных пар подвижного состава, а контроль выполнять по поверочным шаблонам.
Для обеспечения конформного профиля колес карьерного железнодорожного транспорта и снижения затрат на его ремонт необходим непрерывный мониторинг рабочих поверхностей головки рельсов железнодорожного полотна и колесных пар подвижного состава.
При профилировке рельсов и колес подвижного состава радиусы кривизны рабочих поверхностей следует выбирать с учетом рекомендаций настоящей статьи.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Евдокимов Б.А., Забелин Г.Д. и др. Железнодорожный транспорт открытых разра= боток. М. Недра.1984. 181 с.
2. Ресурс и ремонтопригодность колесных пар подвижного состава железных дорог. Монография. Под ред. проф. Иванова И. А., Москва, ИНФРА=М, 2011, 264 с.
3. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия ко= леса и рельса./Пер. с англ. У.Дж. Харрис, С.М. Захаров, Дж. Ландгрен и др., «Интер= текст». 2002. 408с.
4. ГОСТ 11018=2000. Тяговый подвижной состав железных дорог колеи 1520 мм. Колес= ные пары. Общие технические условия.
5. Инструкция по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового по= движного состава железных дорог колеи 1520 мм (с изменениями и дополнениями, утвержденными указанием МПС России от 23.08.2000 № К – 2273у).
6. Керопян А.М. Исследование условий образования одноточечного и двухточечного гребневого контакта между колесом и рельсом при движении локомотива в карье= ре// Сборник материалов Международной научно=практической конференции «От= крытые горные работы в XXI веке». Красноярск, 4–7 октября 2011 г. С.165–169.
7. Альбрехт В.Г., Крысанов Л.Г., Абдурашитов А.Ю., Шмига Ю.Н. Профильная обра= ботка рельсов шлифовальными поездами с активными рабочими органами.М., ВНИИЖТ, 1999г.
8. Чернышев М.А., Крейнис З.Л. Железнодорожный путь. М. Транспорт. 1985. 302 с.
