Снижение интенсивности накопления повреждений рельсов в кривых малого радиуса (стр. 1 )

На правах рукописи

снижение интенсивности накопления повреждений рельсов в кривых малого радиуса

Специальность 05.22.06 – Железнодорожный путь, изыскание и

проектирование железных дорог

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Хабаровск – 2006

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО ДВГУПС)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор

кандидат технических наук, профессор

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО ИрГУПС)

Защита состоится «14» декабря 2006г. в 14-00 час. на заседании диссертационного совета К 218.003.01 государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО ДВГУПС) , ауд. 230.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан «14» ноября 2006 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор ________________________

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При прохождении подвижного состава по рельсовой колее на контактирующих с колесами поверхностях рельсов возникают усталостные и износные повреждения. В прямых участках пути и в пологих кривых эти повреждения обусловлены преимущественно вертикальной нагрузкой на рельсы. В кривых малого радиуса большое влияние на развитие повреждений оказывают горизонтальные силы взаимодействия колес с рельсами. Эти силы в точках контакта с рельсами поверхностей катания колес нарушают целостность рабочей поверхности головок рельсов за счет локального изгиба и сдвига волокон поверхностного слоя. В местах соприкосновения с рельсами гребней колес горизонтальные силы вызывают боковой износ головок рельсов за счет проскальзывания гребней по их поверхности. Переменное боковое воздействие колес на рельсы приводит к горизонтальным изгибным деформациям рельсовых нитей, вызывая накопление в них дополнительных усталостных повреждений. Как следствие этого, в кривых малого радиуса снижается надежность работы железнодорожного пути, значительно сокращается срок службы рельсов. За последние годы отрицательные тенденции в работе железнодорожного пути в кривых малого радиуса усилились в связи с внедрением новых прогрессивных технологий поездной работы, связанных, прежде всего с увеличением массы и скорости железнодорожных составов.

В стратегической программе Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (на 2002 – 2010 гг.) по обеспечению устойчивости взаимодействия в системе «колесо-рельс» подчеркивается, что одним из наиболее действенных средств управления надежностью работы железнодорожного пути и подвижного состава является управление нормами их устройства и содержания. В качестве первоочередной задачи в программе намечено создание более совершенных методик для отработки вопросов влияния норм устройства и содержания пути и ходовых частей подвижного состава на силы их взаимодействия.

Систематического исследования этой проблемы ранее не производилось.

Целью настоящей работы является исследование динамических условий взаимодействия с рельсами колес вагонной тележки с различными отклонениями контура рамы в плане от номинальной прямоугольной формы при прохождении кривых малого радиуса.

Для достижения цели были выполнены следующие задачи:

- проведен анализ существующих методов динамического исследования движения тележек грузовых вагонов в кривых с целью определения сил взаимодействия колес с рельсами;

- проведен анализ известных способов определения поперечных деформаций рельсовых нитей;

- разработаны математические модели определения сил взаимодействия с рельсами колес вагонных тележек при различных конструктивных формах контура рамы в плане;

- разработана математическая модель определения боковых изгибных деформаций рельсовых нитей между колесами тележки;

- определены факторы, в наибольшей степени оказывающие влияние на интенсивность накопления усталостных и износных повреждений рельсов, намечены пути снижения этой интенсивности.

Методика исследования. В работе использовались теоретические, экспериментальные и статистические методы. В теоретической части работы применялись методы аналитической механики, используемые для описания движения сложных механических систем; численные методы решения нелинейных уравнений; методы интегрирования неоднородных дифференциальных уравнений. Экспериментальные исследования проводились с использованием электротензометрических методов и ПЭВМ, анализ и обработка результатов эксперимента выполнялись методами математической статистики в программной среде Microsoft Excel.

Научная новизна работы:

- разработаны новые математические модели вписывания в кривые малого радиуса вагонных тележек с прямоугольной, трапециидальной и искаженной параллелограмной формами контура рамы, позволившие в полной мере проанализировать влияние на условия взаимодействия с рельсами колес тележки различных отклонений контура рамы в плане от прямоугольной формы;

- установлено, что поперечные горизонтальные силы взаимодействия колес с рельсами растут с увеличением отклонений контура рамы вагонной тележки от ее номинальной прямоугольной формы;

- получены расчетные зависимости для определения боковых изгибных деформаций рельсовой нити между колесами вагонной тележки, позволившие выяснить условия возникновения знакопеременных изгибных деформаций рельсовой нити;

- разработана схема экспериментальной установки для одновременной фиксации боковых деформаций рельсовых нитей под всеми колесами вагонной тележки при ее прохождении выбранного участка колеи в поездных условиях.

Практическая ценность работы:

- исследованиями подтверждена возможность снижения интенсивности накопления усталостных и износных повреждений рельсов в кривых малого радиуса за счет реализации мероприятий по уменьшению в эксплуатационных условиях отклонений контура рамы вагонной тележки в плане от ее номинальной прямоугольной формы;

- установлено, что при движении вагонной тележки в кривой малого радиуса боковое отжатие головки рельса под каждым колесом остается постоянным, а геометрическая картина изгиба рельсовой нити смещается вдоль рельса со скоростью тележки; форма бокового изгиба рельсовой нити под тележкой может иметь как форму полуволны, так и полной волны.

На защиту выносятся:

- новые математические модели вписывания в кривые малого радиуса вагонных тележек с различной конструктивной формой контура рамы в плане;

- математическая модель определения боковых изгибных деформаций рельсовой нити между колесами вагонной тележки;

- результаты экспериментальных исследований боковых отжатий рельсовых нитей в кривых малого радиуса;

- рекомендации по снижению интенсивности накопления износных и усталостных повреждений рельсовых нитей в кривых малого радиуса.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на научно-практических конференциях «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, ДВГУПС, 2003г., 2005, 2006гг.), «Современные технологии – железнодорожному транспорту и промышленности» (Хабаровск, ДВГУПС 2003г.), на VIII краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов (Хабаровск 2006 г.), на заседаниях кафедры «Теоретическая механика» ДВГУПС (Хабаровск 2005, 2006 гг.), кафедры «Железнодорожный путь, основания и фундаменты» ДВГУПС (Хабаровск, 2006 г), кафедры «Путь и путевое хозяйство» ИрГУПС (Иркутск, 2006 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, приложения, списка литературы из 103 наименований. Содержит 115 страниц машинописного текста, включая 17 таблиц и 44 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию актуальности темы диссертационной работы. Сформулирована цель исследования, показана научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ существующих методов исследования движения рельсовых экипажей в кривых. Анализируются возможные методы решения поставленных в работе задач. Отмечено, что большой вклад в исследование и разработку методов решения рассматриваемых проблем внесли отечественные ученые , , , , А. Г Полевиченко, а также зарубежные ученые Х. Хейман, Винклер, Ф. Картер, Ж. Калкер и другие.

На основании проведенного анализа определена цель работы и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе представлены результаты теоретических исследований по определению горизонтальных сил, действующих на рельсы в кривых малого радиуса, с учетом отклонений контура рамы в плане от номинальной прямоугольной формы.

В качестве объекта динамического исследования взята двухосная серийная тележка модели 18 – 100. Данная тележка предназначена для установки под грузовыми вагонами магистральных железных дорог колеи 1520 мм и 1435 мм и под вагонами промышленного транспорта.

При исследовании вписывания подвижного состава в кривые малого радиуса вагонная тележка на расчетных схемах обычно изображается в виде прямоугольного контура, сторонами которого являются боковые рамы и продольные оси колесных пар.

При входе тележки в криволинейный участок пути ее продольная ось может отклоняться от направления касательной к осевой линии колеи, образуя с этой касательной угол перекоса. Одновременно с этим оси колесных пар могут поворачиваться вокруг своих центральных точек, образуя с поперечной осью тележки углы разворота. Перекашивание тележки и разворот осей колесных пар в кривых малого радиуса обычно происходит в направлении противоположном вращению центра масс тележки вокруг центра кривизны рельсовой колеи. Этот процесс заканчивается на первых метрах движения по криволинейному участку пути. Дальнейшее установившееся движение тележки в кривой происходит с фиксированными значениями угла перекоса тележки и углов разворота осей колесных пар. При этом контур тележки в плане имеет трапециидальную или параллелограмную формы.