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.№4 (104) 2012

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

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).108 3

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].108 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.108 4

Для определения условий образования конформного гребневого контакта необходимо провести соответствующее исследование.108 5

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].

108 f1

108 f2

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.108 6

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.

Журнал "Горная Промышленность" №4 2012, стр.108