CC BY
19
© А.М. Ксропян, Е.Е. Балахнина, Р.В. Сагалова, 2013
УДК 679.8.053.8
А.М. Ксропян, Е.Е. Балахшина, Р.В. Сагалова
ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОБЛЕМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЕСА И РЕЛЬСА ПРИ ДВИЖЕНИИ ЛОКОМОТИВА В УСЛОВИЯХ КАРЬЕРОВ
В результате сравнительного анализа процессов взаимодействия колеса и рельса при тяжеловесном движении на магистральном железнодорожном транспорте и на открытых горных разработках установлено, что условия эксплуатации подвижного состава на железных дорогах карьеров если не хуже, то, по крайней мере, не уступают условиям тяжеловесного движения на магистральных железных дорогах. В связи с этим необходимо детальное изучение специфических особенностей условий эксплуатации железнодорожного подвижного состава в условиях карьеров с целью разработки соответствующих рекомендаций по улучшению его технико-экономических характеристик и эксплуатационных показателей.
Ключевые слова: взаимодействие колеса и рельса, тяжеловесное движение, карьерный железнодорожный транспорт, уширение колеи, старогодные рельсы, приведенный износ рельса, радиус кривизны рельсового пути.
заимодействие колеса и гЪ рельса является физической основой движения подвижного состава по железным дорогам. От параметров этого взаимодействия во многом зависят тяговая способность локомотива, безопасность движения и основные технико-экономические показатели хозяйств пути и подвижного состава. Два нена-груженных цилиндрических тела с взаимно-перпендикулярными осями (поверхности катания колеса и рельса) касаются в одной точке. При на-гружении вертикальной нагрузкой упругого колеса, опирающегося на упругий рельс, между ними образуется пятно контакта, форма которого близка к эллипсу.
Пятно контакта по своим размерам чрезвычайно мало и в среднем соответствует величине копеечной монеты. Это обусловливает в зоне контакта наличие значительных контактных
напряжений. А это в свою очередь означает, что весь поезд массой порядка нескольких тысяч тонн опирается на поверхность, равную площади письменного стола средних размеров (порядка 0,8 м2). Для обеспечения бесперебойной работы подвижного состава находящаяся в объемно-деформированном состоянии зона контакта колес и железнодорожного пути должна выдерживать значительные нагрузки.
Как показано на рис. 1 рельсы железнодорожных путей наклонены внутрь колеи под углом в к поверхности шпал так, чтобы их положение соответствовало углу наклона профиля поверхности катания колеса. При движении на прямых участках такое устройство пути способствует предотвращению вкатывания колеса на рельс, так как обеспечивает самоцентровку катящейся по рельсовому пути колесной пары.
Рис. 1. Колея железнодорожного пути
В процессе эксплуатации на стыковых соединениях происходит соударение колеса и рельса, при этом возникают динамические нагрузки, намного превышающие статические. Динамические нагрузки обусловлены также наличием на поверхности катания различных дефектов, в т. ч. — лысок (ползунов), возникающих в результате износа при торможении поезда; изменением геометрической формы в связи с усталостным износом поверхности катания колеса; или нарушением непрерывности поверхности катания рельсов на стрелочных переводах.
Особенностью карьерного железнодорожного транспорта является применение электровозов и универсальных тяговых агрегатов со статической нагрузкой на ось до 300 кН. Также, в связи с наличием больших уклонов железнодорожных путей, достигающих 60 о/оо и более (до 80 о/оо — для условий глубоких карьеров), на карьерах применяются моторные думпкары со статической нагрузкой на ось 350 кН. Кроме того, железнодорожные пути карьеров характеризуются значительной протяженностью кривых
участков, при этом радиусы кривизны редко превышают 300 м. В большинстве случаев они находятся в пределах 100...200 м, [1]. Минимальная величина их может составлять 40...60 м. На некоторых
прокладка ГОрНЫХ предприятиях ПрО-
тяженность кривых участков радиусом менее 350 м составляет более половины
5ельсовая
подкладка всей шины карьерных путей.
При движении железнодорожного состава по кривой наружный рельс, в связи с наличием непогашенного ускорения, испытывает дополнительное воздействие, в связи с чем — изнашивается быстрее. Поэтому для выравнивания нагрузок внутренней и наружной нитей рельсового пути устраивают возвышение наружного рельса на некоторую высоту по отношению к внутреннему. Однако это не всегда обеспечивает выравнивание нагрузки на рельсы, так как по одному и тому же криволинейному участку идут поезда разного веса с разными скоростями, а возвышение может быть только одной высоты.
В последние годы на железных дорогах общего пользования в прямых и сравнительно пологих кривых участках пути интенсивно переходят от колеи шириной 1524 мм к более узкой колее 1520 мм [2]. Проведенные ранее исследования Всесоюзного заочного института инженеров железнодорожного транспорта (ВЗИИТ) показали, что при сужении колеи до указанных размеров на прямом участке пути при скорости движения поездов более 65 км/ч начинает снижаться средний уровень боковых поперечных сил и при скорости 110.. .120
км/ч уменьшение этих сил достигает 15 %, однако при уменьшении ширины колеи на 4 мм в кривых участках пути происходит рост боковых поперечных сил при скорости движения подвижного состава до 70 км/ч [3, 4]. Таким образом, применительно к условиям карьерных железнодорожных путей, где скорости не превышают 60 км/ч, сужение колеи до 1520 мм при реализуемых скоростях движения подвижного состава явно нецелесообразно.
В связи с этим ширину колеи на прямых участках постоянных путей и кривых радиусом 350 м с деревянными шпалами целесообразно оставлять 1524 мм при допускаемых предельных отклонениях +6 и -8 мм. — . При радиусах кривых участков пути менее 350 мм для оптимизации вписывания подвижного состава необходимо уширять колею (см. табл. 1) [1].
Другой отличительной особенностью карьерных рельсовых путей является применение старогодных рельсов, общая длина которых составляет до 50 % от общей протяженности рельсовых путей карьеров. Кроме того, наряду с постоянными, в силу технологической необходимости, на карьерах применяются также передвижные рельсовые пути. Передвижные рельсовые пути на карьерах в среднем перекладываются от 2 до 3,5 раза в год [1]. Передвижные рельсы часто укладывают на спланированную площадку без балластного слоя или с незначительной его толщиной. При этом для балласта применяют щебень, вскрышные горные породы и отходы обогащения. Интенсивное засорение карьерных путей при существующей конструкции промежуточного крепления рельсов к рсльсовому основанию исключает широкое использова-
ние новых перспективных подрельсо-вых конструкций (плит, рам, лежней и др.), при которых значительно повышается стабильность пути и сокращаются объемы трудоемких подбивочно-выправочных работ. Условия планировки рабочих площадок иногда вызывают необходимость заглубления балластной призмы постоянных путей в земляное полотно. При этом, как правило, водоотводные сооружения отсутствуют из-за насыщенности земляного полотна другими подземными коммуникациями (теплотрассы, водопроводные сооружения. кабели и др.). Ярусное расположение железнодорожных путей на карьерах часто не позволяет обеспечить водоотвод поверхностных и грунтовых вод от земляного полотна, что вызвает просадки и перекосы пути [1].
На большинстве карьеров отсутствуют технические средства для ремонта старогодных рельсов. Поэтому они должны удовлетворять требованиям действующих нормативно-технических документов, в зависимости от величины износа головки рельсов [5].
В мировой практике организации грузовых железнодорожных перевозок с обращением поездов, имеющих большую осевую нагрузку ( более 250 кН) принят термин - тяжеловесное движение. При этом объем ежегодных перевозок должен составлять не менее 20 млн т брутто или масса поездов — превышать 5000 т. Кроме того, желательно избегать кривых радиусом менее 500 м и уклонов крутизной более 10 %о.
Наряду с повышенными требованиями, предъявляемыми к качеству рельсового пути (термоупрочненная низколегированная рельсовая сталь с очень мелкой перлитной структурой,
Таблица 1
Радиус кривой, м Нормативная ширина колеи, мм Предельные отклонения, мм
349...150 1535 +6 и -4
149...100 1545 +6 и -4
<99 1550 +3 и -3
Таблица 2
Сравнительные характеристики условий работы железнодорожного транспорта для тяжеловесного движения и для карьеров в условиях открытых горных разработок
№№ Наименование ха- Единица Значения
рактеристики измерения Для тяжеловес. Для условий
движения карьеров
1 Осевая нагрузка кН Не менее 250 До 350
2 Масса поездов т 5000 1000.2000
3 Угол подъема %0 Не более 10 60,0; 80,0
рельсового пути
4 Радиус кривизны м Не менее 500 80.200
рельс.пути
5 Тип рельсов * **
6 Характеристика Стационарные Передвижные, до
рельсов 30 % от общей
длины путей карье-
ра
7 Балласт Щебеночный, с тща- Щебень с отходами
тельно подобранным обогащения добы-
гранулометрическим ваемых пород
составом
8 Скорость поезда км/час До 80 15.40
9 Объем годовых Млн.т.брутто Не менее 20 17.111
перевозок
10 Геометр. пара- 5 класс РЯА.Стандарт ...
метры пути Федеральной желез-
нодорожной админи-
страции США
11 Тип рельсового Бесстыковой Стандартный
пути (со стыками)
12 Допустимый износ мм 19,5 (приве- 16,0 (приведенный)
рельсов ден.эквиввал)
Примечания. * Термоупрочненные рельсы из низколегированной стали с мелкозернистой
перлитной структурой; ** ГОСТ Р 51685 - 2000. Микроструктура металла головки тер-
моупрочненных рельсов должна представлять собой мелкодисперсный пластинчатый пер-
лит (троостосорбит или сорбит закалки). Допускаются мелкие разрозненные участки фер-
рита; Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути (в редакции ука-
заний МПС РФ от 30.05.2001 № С-264) утв. МПС РФ 01.07.2000 № ЦП - 774.
НВ > 388; ИКС > 42), для тяжеловесного движения желательно применение бесстыкового пути, обеспечивающего экономичность технического обслуживания и ремонта. Кроме того, высокие требования при тяжеловесном движении должны обеспечиваться при обустройстве верхнего строения рельсового пути. В частности балласт должен быть щебеночным с тщательно подобранным гранулометрическим составом для получения требуемых эксплуатационных характеристик [6].
Ниже приведена сравнительная таблица условий работы железнодорожного транспорта для тяжеловесного движения и для карьеров в условиях открытых горных разработок.
В качестве оценки износа рельсов в отечественной практике принят приведенный износ., равный сумме вертикального И и половины бокового износа Ь рельса, измеряемого на уровне 14 мм ниже поверхности катания (рис.2. б,) [ 7]. Для рельсов Р 65 и тяжелее приведенный износ не должен превышать 16 мм.
Рис. 2. Определение приведенного износа рельса
Колесо и рельс выполняют функции передачи статических и динамических нагрузок от кузова вагона на верхнее строение пути. На площадке контакта между колесом и рельсом должна восприниматься вертикальная нагрузка и передаваться тормозная и тяговая тангенциальная силы. Взаимодействие в системе колесо — рельс играет основную роль в обеспечении работы системы экипаж — путь. Рассмотрение рельса, колеса и зоны их контакта в качестве самостоятельных элементов системы, а также управление взаимодействием колес и рельсов, как системой, позволяют оптимизировать их работу в условиях тяжеловесного движения. Опыт показывает, что в процессе эксплуатации рельсы работают неодинаково и степень их износа зависит от радиуса кривых, режима лубрикации и даже от вида подрельсового основания. В международной практике износ рельсов принято оценивать по отношению бокового износа рельса к вертикальному.
В литературе для разных радиусов кривизны рельсового пути приводятся рекомендуемые значения отношения бокового износа рельсов к вертикальному (табл. 3) [6],
Для приведения методики оценки износа в отечественной практике в соответствие с зарубежным опытом эксплуатации [6] введем понятие приведенного эквивалентного износа. Для применяемых за рубежом рельсов массой 68 кг/м (ближайший аналог рельса Р 65) допустимый износ по кругу катания ограничивается 11 мм. При больших его значениях гребень может задевать стыковые накладки, напольные лубрикаторы, элементы стрелочных переводов и т.д. С учетом сказанного, согласно вышеупомянутого источника, допускаемый
Таблица 4
Показатели работы локомотивосоставов для различных горных предприятий
Таблица 3
Значения отношения величины бокового износа к вертикальному, рекомендованные Канадской Железнодорожной Ассоциацией
Радиус кривой, м Значения отношения для наружной рельсовой нити
1746 0,2
873 0,29
582 0,31
437 0,35
349 0,45
291 0,50
249 0,52
< 249 0,60
ГОК Объем перевозок, млн т/год Расстояние транспортирования, км Производительность Списочного локомотивосо-става, тыс.т/год
Михайловский 57,0 10,5 1190
Лебединский 63,9 12,3 1305
Коршуновский 34,3 12,0 1185
Качканарский 51,2 9,0 1365
Оленегорский 17,0 10,6 815
Соколово- 111,7 13,6 1115
Сарбайский
Качарский 40,1 6,8 1253
боковой износ для того же рельса равен 17 мм. Таким образом, согласно рекомендациям [6], приведенный эквивалентный износ будет равен 11 + 17/2 = 19,5 (мм).
Анализ таблицы 1 показал, что из 12 сравниваемых основных показателей по трем (п.п.5,9,12) - значения по физико-механическим и техническим показателям практически совпадают, хотя на карьерах исходя из технико-экономических соображений до 50 % от общего количества могут применяться старогодные рельсы; по двум пунктам (п. п. 2,9) для условий карьеров значения казалось бы уступают соответствующим показателям тяжеловесного движения (т.в.д.), однако это
является следствием повышенных углов подъема и очень малых радиусов кривизны рельсового пути; по остальным семи показателям (п.п. 1, 3, 4, 6, 7, 10, 11) условия эксплуатации на карьерах значительно сложнее, чем для т.в.д. Следует отметить, что объем годовых перевозок некоторых ГОК, несмотря на сравнительно малый вес составов, в несколько раз превышает минимальную норму, при которой движение можно считать тяжеловес-ным.В табл. 4 приведены данные о производительности локомотивососта-вов на различных предприятиях [8]. Из вышеизложенного следует, что: — за базовую ширину колеи карьерного железнодорожного транспор-
та следует принимать размер 1524 мм;
— учитывая применение старогодных рельсов, при их выборе следует ориентироваться на допускаемый приведенный износ с учетом предполагаемого срока эксплуатации:
— также необходимо учесть наличие передвижных рельсовых путей, повышенных углов подъема, минимальных радиусов кривизны рельсового пути, повышенных осевых нагрузок.
Отсюда следует сделать вывод, что условия эксплуатации подвижного состава на железных дорогах карьеров если не хуже, то, по край-
ней мере, не уступают условиям тяжеловесного движения на магистральных железных дорогах. В связи с этим необходимо детальное изучение специфических особенностей условий эксплуатации железнодорожного подвижного состава для разработки соответствующих рекомендаций по улучшению его технико-экономических характеристик и эксплуатационных показателей. Поэтому проблема исследования взаимодействия колеса и рельса в условиях промышленных карьеров, с учетом специфики железнодорожного транспорта открытых разработок, имеет актуальное значение.
1. Евдокимов Б.А., Забелин Г.Д. и др. Железнодорожный транспорт открытых разработок. М. Недра.1984. 181 с.
2. Певзнер В.О., Белоцветова О.Ю., Петропавловская И.Б., Громова Т.И. Оценка влияния норматива устройства ширины колеи на интенсивность бокового износа и уширения колеи по результатам эксплуатационных наблюдений. Вестник ВНИИЖТ. №2, 2010 г.
3. Вериго М.Ф., Грачева Л.О. и др. Боковые силы в прямых участках пути. - В кн. Труды ВЗИИТ, 1969. с.7...30.
4. Крейнис З.Л., Певзнер В. О. Боковые силы в кривых участках пути при суженной
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ширине колеи. - В кн. Труды ВЗИИТ. м., ВЗИИТ, 1969. с. 31.73.
5. Рельсы старогодные. ТУ № ЦПТ-80/350, Классификатор МПС.
6. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельа./Пер. с англ. У.Дж. Харрис, С.М. Захаров, Дж. Ландгрен и др./ «Интертекст». 2002. 408с.
7. Чернышев М.А., Крейнис З.Л.. Железнодорожный путь. М. Транспорт. 1985. 302 с.
8. Справочник. Открытые горные работы. Трубецкой К.Н., Потапов М.Г. и др., М.,Горное бюро, 1994. 590 с. ЕЕ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Керопян Амбарцум Мкртичевич— кандидат технических наук, доцент, am_kerop@mail.ru, Балахнина Евгения Евгеньевна — доцент,
Сагалова Рита Владимировна — кандидат технических наук, доцент, Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru
