CC BY
58
УДК 629.4.016.1: 629.4.016.56
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ
КОЛЕСНОЙ ПАРЫ
В. В. Шилер, А. В. Шилер, К. С. Фадеев
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), Россия, г. Омск
Аннотация. В представленной работе приведены перспективные направления развития транспортных систем. Выполнен анализ особенностей формирования сопротивления движению транспортных систем. Представлена силовая схема особенностей формирования сил сопротивления качению колесной пары по рельсам при действии центробежной силы в процессе криволинейного движения. Разработана методика расчета удельных энергетических затрат, затрачиваемых на перемещение грузов в зависимости от скорости движения. Дана сравнительная оценка энергетической эффективности транспортных систем в том числе и колесной паре новой конструкции.
Ключевые слова: энергетическая эффективность, транспортные средства, трение, колесная пара и сопротивление движению.
Введение
Как известно, от динамических параметров системы "колесная пара - рельсовая колея" зависят основные технико-экономические показатели железнодорожных перевозок. Поэтому уровень востребованности новых высокоэффективных конструкций колесных пар можно определить по результатам анализа динамики основных технико-экономических показателей железнодорожных перевозок в РФ за последние 40 лет. Так, например: участковая скорость выросла с 39 до 42 км/ч, осевая нагрузка - с 21 + 23 до 23 + 25 т, средний вес поезда с 3500 до 4300 т, скорость доставки грузов - с 12 до 14,8 км/ч, порожний пробег вагонов вырос с 20 до 42 %, максимальная пропускная способность двупутного участка находится на одном уровне - 120^130 пар поездов в сутки. По оценке экспертов существующая транспортная инфраструктура уже с трудом справляется даже с сокращенными грузопотоками. В данный момент на 7000 км магистральных линий РЖД исчерпана провозная способность. К 2020 г. такая ситуация будет уже на 20000 км. Как показывает опыт железнодорожных перевозок, при достижении предельных значений по пропускной способности снижаются технико-экономические показатели, например, в настоящее время участковая скорость снизилась на 17 %. Современные перевозки железнодорожного транспорта начинают конкурировать с автомобильными на расстоянии свыше 2500 км.
Анализ направлений развития транспортных систем и их энергетическая эффективность
В настоящее время у ряда специалистов сформировалась позиция, что система "колесо-рельс" исчерпала полностью свои резервы для дальнейшего повышения скорости движения и эффективности перевозок. Поэтому на повестку дня они ставят задачу строительства транспортной системы на магнитном подвешивании ("Маглев"), которая будет двигаться в тоннеле. Для снижения аэродинамического сопротивления движению планируется из тоннеля откачивать воздух. Противопоставить этой позиции можно достижения системы "автомобильное колесо -дорога", которая за последние 40 лет показала следующие выдающиеся результаты: рекордная скорость движения по поверхности высохшего соленого озера - 1500 км/ч, осевая нагрузка карьерных самосвалов - 250 т/ось, повышение конкурентной способности в сравнении с железнодорожным транспортом на расстояние с 300 до 2500 км. Если сравнить прочностные и динамические характеристики автомобильных и карьерных дорог, и поверхности соленого озера с рельсовой колеёй, то последняя имеет гораздо больше преимуществ.
Авторами разработана новая конструкция колесной пары, подробное описание которой представлено в работах [3 и 6]. Основными особенностями новой конструкции колесной пары это реализация независимого вращения всех поверхностей колес, контактирующих с головками рельсов, и подрессоренные бандажи.
Целью данной работы является обоснование энергетической эффективности новой конструкции колесной пары и сравнение её с другими транспортными системами.
Для обоснования энергетической эффективности транспортных систем приведём основные сведения об особенностях трения в точках контактов систем "колесо - опорная поверхность.
Общие сведения по трению. Все затраты энергии на перевозку грузов идут на преодоление различных видов трения в подвижных элементах узлов подвижного состава и во взаимодействии колес с опорной поверхностью и окружающей средой. Основной характеристикой любого вида трения является сила трения — сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы.
В общем случае сила трения движения [1]
F = 1 • —, е А
где е — абсолютная скорость относительного перемещения
взаимнотрущихся тел, м/с;
dA/dt — мощность фрикционных потерь, связанных с механическими
(деформирование, адгезионное),
физическими (адсорбция, звуковые, электромагнитные и др.), химическими (хемосорбция, химическое модифицирование поверхностного слоя), диссипативными процессами (А — работа трения, т. е. диссипируемая энергия), кВт.
Основные особенности качения колеса по рельсу Согласно теории динамики, сила трения возникает как реакция между двумя контактирующими телами при действии на них внешних сил и равна произведению коэффициента трения на нормальное давление. Согласно теории кинематики, при качении колеса по рельсу с поступательной скоростью (V) точка контакта колеса и рельса является мгновенным центром поворота колеса. Поэтому поверхность катания колеса имеет нулевую скорость перемещения относительно точки контакта на поверхности рельса. В этом случае в точке контакта действует реакция в виде суммы сил трения
"покоя" (FП ) и качения (Т).
Общие сведения о трении качения Согласно теории Рейнольдса [4], трение качения формируется за счет встречного микроскольжения материалов в плоскости
вращения колеса на противоположных концах площадки контакта "колесо-рельс", которая, согласно теории Герца, имеет форму эллипса. В центре площадки контакта действует трение "покоя" [4].
Общие сведения о трении скольжения Как известно, характеристика трения скольжения состоит из трех зон (рисунок 1): в первой зоне при отсутствии относительного движения между двумя телами (е = 0) коэффициент трения скольжения имеет постоянное значение - это трение "покоя" (/П); во второй зоне начинается относительное перемещение контактирующих тел и с ростом абсолютной скорости относительного скольжения (е^ 0) коэффициент трения скольжения
увеличивается от значения трения "покоя" (/П.шах) до максимального (/ ) - эта зона,
так называемого "трения движения" (/Д).
Максимальное значение общего
коэффициента трения (/Ста) (критическая точка) равно сумме значений коэффициентов
двух видов трения /С.тах =/и.тах+/д.тах. ^Р™
зона находится за критической точкой, основной особенностью которой является отрицательный наклон характеристики "трения движения".
Вторая особенность характеристики "трения движения": чем больше нагружены контактирующие поверхности, тем меньше значение коэффициента трения скольжения (^ ). При этом вершина характеристики
<у С.тах
смещается ближе к вертикальной оси (рисунке 1, кривые 1, 2 и 3, соответственно). Из трех кривых зависимостей коэффициентов трения скольжения для системы "колесо -рельс" с учетом степени их нагруженности наиболее соответствует кривая 3, которая и используется в представленной работе.
!|3 >.1 Ь
Рис. 1. Зависимость коэффициента трения скольжения от абсолютной скорости скольжения (е ) для трех уровней нагрузки. Линии: 1 - малой; 2 - средней и 3 - большой нагрузки [3]
Особенности формирования сил трения в точке контакта системы "колесо -рельс" при воздействии внешних сил. В
зависимости от уровня воздействия внешних сил качение колеса может происходить со скольжением его по рельсу или без него. Трению качения колеса со скольжением (трение качения плюс "трение движения") в научных источниках по железнодорожному транспорту [2 и 6] присвоено название "трение крипа", а скорости скольжения -абсолютная скорость относительного проскальзывания (а). Второй параметр проскальзывания - это относительная скорость проскальзывания (р): отношение абсолютной скорости относительного проскальзывания к скорости поступательного движения колесной пары, (р = /У)Л00%о. Относительная скорость имеет широкий интервал значений (р = 0,2 ^ 10%).
Оценки энергетической эффективности систем "колесо - рельс" и "колесная пара -рельсовая колея" производились в области значений сил трения и абсолютной скорости проскальзывания, как параметров мощности энергии и реакций на воздействие внешних сил. На рисунках 2 а - г представлены векторные диаграммы результирующей силы трения проскальзывания колеса по рельсу
(Fр) и её составляющих по соответствующим
координатным направлениям Г и Г , а на
рисунках 2 д - з - абсолютные скорости проскальзывания колеса по рельсу,
£Е.
ЕХ И
£7
соответственно
Геометрические места предельных значений результирующих векторов показаны окружностями (рисунок 2 а - з): окружность с радиусом ОЦ1 - максимальные значения
силы трения "покоя" (тах); окружность с
радиусом ОЦ2 - критические значения
суммы трения "крипа" и "покоя"
(Fl
+ Fi
); окружность с радиусом ОЦ 3
- критические значения векторов абсолютной скорости относительного проскальзывания
колеса по рельсу (sKp = вкр3).
Количество внешних сил и их сочетаний, действующих на систему "колесо - рельс", насчитывает несколько вариантов, исследования выполнены для одного из них -
действие поперечной внешней силы РЦб
(центробежная сила). Для наглядной демонстрации продольные составляющие силы трения (Fx (s)) и соответствующие им составляющие абсолютной скорости относительного проскальзывания (sx) на графиках представлены с одинаковыми значениями Fx = F2X = F3x = const
(рисунок 2 а - в) и s2X = s3X = const (рисунок
2 е - ж), соответственно.
Рис. 2 а - г. Векторные диаграммы сил трения и абсолютных скоростей относительного скольжения в точке контакта колесо - рельс Окружности: Оц 1 - геометрическое место предельных значений результирующих векторов сил трения -
трения «покоя» (Гп тах ); ОЦ2 - геометрическое место предельных значений суммы результирующих
векторов сил трения "покоя" и "крипа" (Г
+ F
П .max l.max
); оц 3
геометрическое место критических
значений результирующих векторов абсолютной скорости скольжения (ар ) колеса по рельсу
кр ■
Продольная составляющая трения (Fx (s)) является реакцией на действие
тягового момента сил и совершает полезную работу - формирует продольную силу тяги колесной пары. Для понимания изложенного ниже анализа действия сил трения следует ещё раз обратить внимание на то, что окружности ОЦ1, ОЦ 2 и ОЦ 3 (рисунок 2 а - з)
показывают предельные значения для результирующих векторов сил трения и абсолютной скорости относительного проскальзывания, а не их составляющих по координатным направлениям.
Рассмотрим четыре характерных уровня реакций сил трения в точке контакта колеса и рельса, которые формируются в процессе увеличения центробежной силы. На первом уровне на рисунке 2 а показана реакция трения в точке контакта на внешнее воздействие, когда результирующий вектор
( F1e ) находится внутри окружности Оц 1 (Ff < F^max). В этом случае в точке контакта действует только сила трения "покоя" (F^ 1) и процесс качения колеса по рельсу реализуются без проскальзывания (S1E = 0). Сила трения F1E (сила сцепления) является удерживающей связью и система "колесо -рельс" относится к голономным системам.
На втором уровне с дальнейшим ростом внешнего воздействия и, соответственно, реакции на неё результирующий вектор трения выходит за периметр круга ОЦ1
(рисунок 2 б, вектор F2E). При таком соотношении (f2e ^ max) процесс качения колеса сопровождается проскальзыванием (рис. 2 е, вектор s2 Ф 0), которое формирует силу "крипа", а общее значение результирующей силы равно сумме сил
трения F2E(s)= Flmax + FK.2 (s) .
На третьем уровне с увеличением реакции поперечной составляющей до F3Y (s) происходит пропорциональный рост результирующего вектора до F3E(s) и, соответственно, скоростей проскальзывания до s3 и sY . Результирующая сила трения
увеличивается за счет роста трения "крипа", а общее значение результирующей силы трения равно сумме сил F|E(s) = F^max+ F^3(s).
На четвертом уровне увеличения центробежной силы процесс трения в точке
контакта "колесо - рельс" переходит в третью зону характеристики трения. В этой зоне за счет отрицательного наклона характеристики трения происходит самопроизвольное снижение значения результирующей силы реакции F? < Fi + F„ и, соответственно,
~ ~ х 4 ^ л П max 1 л К max ' '
F[. Это
её составляющих автоматически приводит к неограниченному росту абсолютной скорости проскальзывания
колеса по рельсу (ё4Е » екр - буксование) (рисунок 2 з), а составляющие скорости ё? и
—Y
увеличиваются
пропорционально
соответствующим значениям и ¥/. При движении колеса с проскальзыванием сила ¥ Е(е) уже не является удерживающей
связью и система "колесо - рельс" переходит в разряд неголономных систем.
При отсутствии центробежной силы вся сила трения в точке контакта
(результирующий вектор ¥^(е)) может быть
использована на формирование силы сцепления в продольном направлении. В этом случае значения коэффициента сцепления в режимах выбега, тяги и торможения находятся в интервале 0,6 + 0,8 ед. и состоят из двух видов трения: трения "покоя" и трение проскальзывания. Первая фаза формирования силы сцепления - если сила тяги не превышает силу трения "покоя", то колесо движется без проскальзывания, и коэффициент сцепления составляет ^ = 0,3 ■^0,4 рисунок 1 [1 и 4]. Вторая фаза - с дальнейшим ростом момента силы тяги увеличивается проскальзывание, а с ним пропорционально и сила "крипа", коэффициент сцепления которого составляет = 0,3 ^0,4. Силы трения суммируются, а их общий коэффициент сцепления составляет 0,6 + 0,8 ед. Во второй фазе колесо катится с проскальзыванием и с соответствующими оправданными затратами энергией, направленная на повышение сцепления.
Силы трения в точках контактов "стандартная колесная пара - рельсовая колея". Как известно, основной конструктивной особенностью стандартной колесной пары является жесткая посадка колес на общую ось и наличие конусности на поверхностях катания колес. Такая конструкция с рельсовой колеёй образует механическую систему замкнутого типа, в которой действует механизм извилистого движения колесной пары (режим
автоколебаний) в пределах ширины рельсовой колеи. Не вдаваясь в подробности динамики извилистого движения приведём простое описание этого процесса. Так, в режиме выбега в процессе извилистого движения колесной пары за счет конусности поверхностей катания колеса попеременно имеют больший или меньший диаметр кругов катания. При этом колесо с большим диаметром круга катания проскальзывает в режиме "тяги", а колесо с меньшим диаметром - в режиме "торможения". Моменты сил трения от проскальзывания колес действуют в противоположных направлениях и взаимно уравновешиваются через ось колесной пары. При таком разнонаправленном проскальзывании колес существенная часть энергии движения расходуется внутри системы "колесная пара -рельсовая колея", которая не совершает полезной работы, а идет на образование износа поверхностей катания колес и рельсов, и тепла, которое рассеивается в окружающей среде. Этот процесс проскальзыванием называется паразитным. В процессе паразитного проскальзывания результирующие векторы трения скольжения обоих колес (Г2р) постоянно находятся за периметром окружности ОЦ1 (рисунок 2 б).
Это указывает на то, что паразитное проскальзывание колес "съедает" всю часть энергии силы трения "покоя" и начальную часть силы трения скольжения - "крипа"
(Г2(а) = ГЛ.тах + (а)). Кроме ЭТог° к
дополнительному росту проскальзывания колес по рельсам вызывают действия внешних сил: центробежная сила и силы тяги или торможения (рисунок 2 е и ж). По
определению центробежная сила (РЦб)
пропорциональна квадрату скорости поступательного движения (V2) и обратно пропорциональна радиусу кривизны ^из) криволинейной траектории. Такая же зависимость будет и для дополнительного прироста значения силы "крипа".
Поперечные перемещения колесной пары ограничивают рельсовые нити, поэтому амплитуды извилистой траектории зависит от значения ширины рельсовой колеи. Длина волны извилистой траектории зависит от значения конусности поверхности катания колес [2]. На рисунке 3а показаны зависимости значений центробежной силы от скорости поступательного движения для нескольких значений конусности
поверхностей катания колес, а на рисунке 3б - значений ширины рельсовой колеи. На графиках (рисунок 3а и 3б) видно, что центробежная сила тем меньше, чем уже рельсовая колея и меньше конусность поверхности катания колес. На высокоскоростных магистралях ширина рельсовой колеи равна 1512 мм, а конусность поверхности катания колес - 1:25. Потери энергии на трение проскальзывания в точках контактов стандартной колесной пары и рельсовых нитей состоят из суммы энергии потерь на паразитное проскальзывание колес за счет извилистого движения и проскальзывание под действием
центробежной силы.
В режиме тяги на малых скоростях движения при отсутствии центробежной силы сила сцепления стандартной колесной пары формируется только той частью силы трения "крипа", которую не "съедает" паразитное проскальзывание колес. В этом случае значение коэффициента трения-сцепления находится в интервале 0,3 -0,4 ед. [1 и 4]. С ростом скорости движения увеличивается центробежная силы, которая дополнительно "съедает" силу трения -сцепления и коэффициент сцепления снижается до 0,06 -0,1.
Силы трения в точках контактов "новая конструкция колесной пары - рельсовая колея" В новой конструкции колесной пары за счет реализации независимого вращения колес и цилиндрической формы поверхностей катания [3, 6 -8] отсутствует механизм извилистого движения и, соответственно, паразитное проскальзывание колес по рельсам. В этом случае в точке контакта "колесо - рельс" действует трение "покоя" и качения. Траектория движения новой конструкции колесной пары зависит от относительного положения колесных пар в тележке. Если в двухосной тележке колесные пары параллельны, то траектория движения будет прямолинейная, в противном случае -криволинейная в виде дуги окружности.
При движении по криволинейной траектории на новую конструкцию колесной
пары действует центробежная сила (РЦб).
то результирующие векторы трения обоих колес находятся внутри круга ОК1 (рис. 2 а), а в точках контактов отсутствует проскальзывание колес (рисунок 2 д, = 0). В этом случае реакции в точках
контактов формируются только силами трения "покоя" при отсутствии потерь энергии
Если Рр < 2 . ГР.тах
на трение. Если центробежная сила больше,
чем сила трения "покоя" (РЦб > 2 • FП шах ), то
процесс выходит во вторую зону характеристики трения (рисунок 2 б, векторы ^, ¥3). В этой зоне трение качения колес
по рельсам уже сопровождается проскальзыванием (рисунок 2 е и ж, векторы £2Е ^ 0, е3Е ^ 0) с соответствующими
затратами энергии движения на трение скольжения.
При допустимой разности баз по противоположным сторонам двуосной тележки (до 2 мм) радиус кривизны собственной криволинейной траектории новой конструкции колесной пары составляет RН=2000 м. При таком значении радиуса кривизны, как показывают результаты расчетов, центробежная сила преодолевает силу трения "покоя" на скорости движения 200 км/ч. Таким образом, сила трения в точке контакта колесной пары новой конструкции имеет две стадии формирования. Первая стадия - в интервале скоростей движения до
200 км/ч действуют силы трения качения и "покоя" без проскальзывания и отсутствия соответствующих затрат энергии на преодоление сопротивления движению. Значения коэффициента трения-сцепления находятся в интервале 0,3^0,4 ед.
Вторая стадия, - при скорости движения свыше 200 км/ч сила трения - сцепление формируется суммой сил трения "покоя" и "крипа", но уже с проскальзыванием колес и соответствующим полезным расходом энергии движения на формирование сцепления, значение которого увеличивается до интервала 0,6 + 0,8 ед. В новой конструкции колесной пары отсутствует механизм извилистого движения и траектория движения имеет меньшую кривизну, чем у стандартной колесной пары, поэтому, соответственно, и ниже уровень центробежной силы. Следовательно, и степень зависимости коэффициента сцепления от скорости движения намного меньше, чем у стандартной колесной пары.
200 кН
| 160
I 140 120
РЦ6 ,00 80 60 40 20
/
/
гГ 2
3
4
ц
С
- - ■
100
200 300 км/ч 400
V_
Рис. 3 а. Зависимость центробежной силы
от скорости поступательного движения и конусности поверхности катания бандажа при ширине рельсовой колеи, равной 1512 мм. Линии: 1 конусность - 1:25; 2 - 1:20 и 3 - 1:10; 4 -новая конструкция колесной пары при Рн =2000 м
Цб
200 кН
160 140 120 100 80 60 40 20
5 / / *
' >
4 / /
/
/з |
Ц. б
/С
_ _ - - "
100
200 300 км/ч 400
V_*
Рис. 3 б. Зависимость центробежной силы от скорости поступательного движения и ширины рельсовой колеи при конусности поверхности катания, равной 1:25. Линии: 1 ширина рельсовой колеи - 1512 мм; 2 -1516 мм; 3 - 1520 мм; 4 - 1524 мм; 5 - 1528 мм; 6 -новая конструкция колесной пары при Рн =2000 м
Оценка энергетической эффективности транспортных систем Сравнительная оценка удельных затрат энергии на транспортировку груза Q (расход одного кВт энергии на перемещение груза весом в одну тонну на один километр, кВт/ткм) выполнена для следующих пяти транспортных систем: железнодорожный транспорт со стандартной и новой конструкциями колесных пар,
система на магнитном подвешивании (типа "Маглев") и автомобильный транспорт.
При расчете удельных потерь энергии приняты ряд общих упрощений одинаковых для всех видов транспортных средств. Не учитывались следующие факторы: неровности на опорных поверхностях, колебания верхнего строения экипажа и пути, контактная жесткость в точке контакта колеса
и рельса, скольжение гребней по боковой поверхности головок рельсов. Поперечные профили поверхностей катания имеют номинальный неизношенный профиль.
В расчетных оценках удельных потерь энергии для рельсового транспорта из общего сопротивления движению учитывались следующие усредненные составляющие: трение качения и паразитное скольжение колес по рельсам в режиме выбега в прямом участке пути, сопротивление от прогиба рельсов, сопротивление в буксовых подшипниках и аэродинамическое сопротивление. Для магнитного
подвешивания ("Маглев") - затраты энергии на поддержание подвижного состава на весу (1 кВт/т) и аэродинамическое сопротивление. Для автомобильного транспорта затраты энергии на преодоление сопротивления движению были получены через коэффициент расхода удельной энергии относительно рельсового транспорта со стандартными колесными парами, который равен 1:10. Расчет аэродинамического сопротивления для всех видов транспорта, которое пропорционально квадрату скорости движения (V2), производился по единой методике с одинаковыми значениями параметров миделевого сечения. Для железнодорожного транспорта в виду значительной длины поезда дополнительно учитывалось аэродинамическое трение боковых стенок кузовов. Остальные составляющие общего сопротивления не учитывались в виду их малости в сравнении с перечисленными.
Результаты расчетов удельных энергетических затрат по видам
транспорта приведены на рисунке 4. Для системы "Маглев" (рисунок 4, кривая 1) минимальный расход удельной энергии имеет место в диапазоне скоростей 100 - 200 км/ч. На низких скоростях движения увеличенный расход обусловлен затратами энергии на поддержание транспортного средства на весу, а на высоких скоростях движения - увеличением аэродинамического сопротивления.
На высоких скоростях для стандартной колесной пары сопротивление от движения по извилистой траектории сопоставимо или превышает аэродинамическое и существенно зависит от значений ширины рельсовой колеи и конусности поверхности катания бандажа (рисунок 4, зона 7). Следует отметить, что для подвижного состава со стандартной колесной парой за последние 40 лет общее
удельное сопротивление движению увеличилось с 2,2 до 6 - 8 Н/кН. Это обусловлено зауживанием ширины рельсовой колеи с 1524 до 1520 мм, повышением осевой нагрузки (с 22 до 23-25 т) и веса поезда (максимальный вес поезда до 12000 т).
Среди транспортных систем существенно меньшие затраты энергии во всем диапазоне скоростей движения имеет железнодорожный подвижной состав с новой конструкцией колесной пары (рисунок 4, зона 4). На высоких скоростях (свыше 100 км/ч) для всех видов транспортных систем, кроме подвижного состава со стандартными колесами, аэродинамическое сопротивление преобладает над остальными
составляющими общего сопротивления движению.
300 кВт/т- км
240
| 210 kJL_
I 180 |
Q 150
2
120 [ ¿L
90 60 30
О 100 200 300 км/ч 400
V ---
Рис. 4. Зависимости удельных затрат энергии на перевозку одной тонны массы груза от скорости движения: Транспортная система "Маглев": 1 - зона для диапазона значений затрат энергии (1 ■ 3 кВт/т) для удержания одной тонны массы на весу;
Новая конструкция колесной пары: 4 - зона для значений непараллельности колесных пар - 0 ■ 2 мм. Линии: 2 - при непараллельности колесных пар - 0 мм и 3 - 2,0 мм. Стандартная колесная пара: 5 - зона для значений ширины колеи 1512 - 1516 мм. Линии: 6 - при ширине рельсовой колеи - 1512 мм и 7 - 1516 мм. Линия: 8 - автомобильный транспорт
Для полноты общей картины экономической эффективности приведены данные по капитальным вложениям в строительство транспортных систем. Представленные на рисунке 5 данные стоимости строительства путей сообщений относятся к странам с теплым умеренным климатом. Если экстраполировать эти расходы в условия РФ, то, как показывает опыт строительства подобных сооружений, они будут в два - три раза выше и находятся
в диапазоне 50 - 100 млн. евро за один километр. Это объективно и обусловлено климатическими и географическими факторами: значительными по протяженности болотистыми, вечномерзлыми и горными
Заключение
1) Во всем диапазоне скоростей движения у подвижного состава с новой конструкцией колесной пары самые низкие удельные расходы энергии на перевозку грузов.
2) Подвижной состав с новой конструкцией колесной пары, как по капитальным вложениям, эксплуатационным расходам, так и срокам внедрения, значительно эффективнее (срок окупаемости 3,5 года) в сравнении с другими видами транспортных средств (срок окупаемости 20,5 и более лет).
3) Строительство линии "Маглев" требует значительных капитальных вложений и эксплуатационных расходов. С учетом климатических условий и географических масштабов РФ в ближайшем будущем этот проект экономически не оправдан.
4) Внедрение новой конструкции колесной пары значительно повысит технико-экономическую целесообразность строительства ВСМ.
5) Предложенная конструкция колесной пары является первоначальным базовым вариантом для создания следующего
местностями, широким диапазоном межсезонной температуры (100 °С), а в зимний период большой глубиной промерзания грунта (2 - 3 м).
поколения высокоэффективных конструкций колесных пар и подвижного состава.
Библиографический список
1. Физические величины: Справочник / А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др.; Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мелихова. - М; Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.
2. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса: Пер. с англ./ У. Дж. Харрис, С. М. Захаров, Дж. Ландгрен, X. Турне, В. Эберсен. М.: Интекст, 2002. - 408 с.
3. Пат. 2207250 РФ, МКИ 7 В 60 В 9/12. Колесо рельсового транспортного средства. / А. Н. Головаш, П. Н. Рубежанский. А. В. Шилер, В. В. Шилер. РЖД - 2000125462; заявл. 9.06.2000; опубл. 09.10.2003, Бюл. № 18.
4. «Машиностроение», Энциклопедический справочник, т. 1, кн. 2. - М.: Машгиз, 1947. - 456 с.
5. Гурьев, А. Дорога на магнитном подвесе: второе дыхание в России? / А. Гурьев // «РЖД-Партнер» . - 2009. - № 19 (167). - С 54-58.
6. Шилер, В. В. Новая конструкция колесной пары для рельсового транспорта / В. В. Шилер, А. В. Шилер // Техника железных дорог. - 2012 - №4 (20) - С. 64 - 73.
"Маглев" (оценочная стоимость)
Ж.д. путь общего пользования (усредненная стоимость)
TGV, Франция 1989 г.
TGV, Франция 2001 г.
ICE1, Германия, 2002 г.
Синкансен, Япония 1982 г.
Неаполь-Турин, Италия 2006
HSL, Нидерланды, 2007 г. TGV, Тайвань, 2007 г.
Rail Link, Англия, 1994 г.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 миллион евро за 1 км двупутного полотна
Рис. 5. Стоимость капитального строительства ж.д. пути общего пользования, ВСМ и "Маглев" [5]
7. Крагельский, И. В. Фрикционные автоколебания / И. В. Крагельский, Н. В. Гиттис. -М.: Наука, 1987. - 171 с.
8. Исаев, И. П. Проблемы сцепления колес локомотива с рельсами / И. П. Исаев, Ю. Лужнов М. - М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.
ENERGY EFFICIENCY OF A NEW CONSTRUCTION OF A WHEEL PAIR
V. V. Shiler, A. V. Shiler, K. S. Fadeev
Abstract. The paper presents perspective directions for development of transport systems. The analysis of the peculiarities of resistance's formation to movement of transport systems. There is presented a bearing scheme of peculiarities of forming resistance to rolling of wheel pair on rails under the action of centrifugal force in the process of nonlinear motion. The method of calculation of the specific energy consumption spent on movement of cargos, depending on the speed of movement. A comparative evaluation of the energy efficiency of transport systems including wheel pair of a new construction.
Keywords: energy efficiency, vehicles, friction, wheel pair and resistance to movement.
References
1. Fizicheskie velichiny: spravochnik. [Physical magnitudes: Reference book]. Babichev A.P., Babushkina N.A., Bratkovskij A.M.Moscow. Energoatomizdat, 1991,1232 p.
2. Obobshhenie peredovogo opyta tyazhelovesnogo dvizheniya: voprosy vzaimodejstviya kolesa i relsa: per. s angl. [Generalization of advanced experience of a heavily-loaded movement: questions of interaction between a wheel and rail]. U. Dzh. Xarris, S. M. Zaxarov, Dzh. Landgren, X. Turne, V. Ebersen. Moscow, intekst, 2002, 408 p.
3. Golovash A. N., Rubezhanskij P. N. Shiler A. V., Shiler V. V. Koleso relsovogo transportnogo sredstva [Wheel of a rail vehicle]. Patent RF, no2207250, 2003.
4. Mashinostroenie. Enciklopedicheskij spravochnik [Mechanical engineering, Encyclopaedic reference book]. 1947, t. 1, kn. 2, Moscow, Mashgiz, 456 p.
5. Gurev A. Doroga na magnitnom podvese: vtoroe dyxanie v rossii? [The road on magnetic
suspension: the second breath in Russia?]. RZHD-partner, 2009, no. 19 (167), pp. 54-58.
6. Shiler V. V., Shiler A. V. Novaya konstrukciya kolesnoj pary dlya relsovogo transporta [New construction of wheel pair for rail transport]. Texnika zheleznyx dorog, 2012, no 4 (20), pp. 64 - 73.
7. Kragel'skij I. V., Gittis N. V. Frikcionnye avtokolebanija [Frictional autooscillations]. Moscow, Nauka, 1987. 171 p.
8. Isaev I. P., Luzhnov Ju. M. Problemy sceplenija koles lokomotiva s rel'sami [Problems of adhesion of locomotive's wheels with rails]. Moscow, Mashinostroenie, 1985, 240 p.
Шилер Валерий Викторович (Россия, Омск) -кандидат технических наук, доцент кафедры «ЭПС» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС). (644046, Россия, г. Омск, пр. Маркса, 35, e - mail: [email protected]).
Шилер Александр Валерьевич (Россия, Омск) - кандидат технических наук, доцент кафедры «АиСУ» Омского государственного
университета путей сообщения (ОмГУПС). (644046, Россия, г. Омск, пр. Маркса, 35, e - mail: shiler_alex@inbox. ru).
Фадеев Константин Сергеевич (Россия, Омск) - кандидат технических наук, доцент кафедры «ИСИБ» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС). (644046, Россия, г. Омск, пр. Маркса, 35, e - mail: fadeev_spi@mail. ru).
Shiler V. V. (Russian Federation, Omsk) -candidate of technical science, assistant professor, Omsk state transport University (OMGUS). (644046, Omsk, Marksa, 35, e - mail: [email protected]).
Shiler A. V. (Russian Federation, Omsk) -candidate of technical science, assistant professor, Omsk state transport University (OMGUS). (644046, Omsk, Marksa, 35, e - mail: [email protected]).
Fadeev K. S. (Russian Federation, Omsk) -candidate of technical science, assistant professor, Omsk state transport University (OMGUS). (644046, Omsk, Marksa, 35, e - mail: [email protected]).
