CC BY
71
Таким образом, в результате проведения численного эксперимента было выявлено следующее.
1) Варьирование механических характеристик грунтового массива влечет за собой изменение значения коэффициента учета временной крепи унб: для сечения в сводовой части на 18 %, в полусводовой - 10, в стеновой части - 20 %.
2) Изменение угла внутреннего трения ф, удельного сцепления с в рассмотренном диапазоне скальных грунтов оказывает незначительное влияние (менее 3 %) на значения коэффициента учета временной крепи унб.
3) С использованием методов математической статистики установлены соотношения между значениями коэффициента учета временной крепи унб и модулем деформации грунтового массива Е0.
4) Изменение размеров поперечного сечения тоннельной выработки оказывает незначительное влияние (менее 3 %) на изменение значения коэффициента учета временной крепи унб.
5) С использованием методов математической статистики установлены соотношения между значениями коэффициента учета временной крепи унб, толщиной временной крепи И и модулем деформации грунтового массива Е0, которые могут применяться с целью учета влияния временной крепи на напряжения, возникающие в постоянной обделке тоннеля, вызванные объемными силами тяжести, действующими в окружающем грунтовом массиве.
Список литературы
1. Набрызгбетон для тоннелей [Текст] / В. С. Арутюнов, И. В. Гиренко и др.// Транспортное строительство / Всероссийский науч.-исследоват. ин-т. - М., 1986. - № 4. - С. 24 - 26.
2. Жуков, В. Н. Современные технологии набрызгбетонных работ в подземном строительстве [Текст] / В. Н. Жуков, Ш. Р. Магдиев // Метро и тоннели. - М., 2003. - № 4. - С. 20 - 23.
3. Зерцалов, Г. М. Научное обоснование проектов подземных сооружений методами численного моделирования [Текст] / Г. М. Зерцалов, Д. В. Устинов, С. А. Юфин // Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века: опыт и перспективы. - М., 2002. - С. 414 - 417.
4. Оптимизация конструкции обделки большепролетных подземных выработок, сооружаемых по технологии НАТМ [Текст] / В. Е. Меркин, В. В. Чеботаев и др. // Транспортное тоннелестроение. Современный опыт и перспективные разработки / Науч.-исследоват. ин-т транспортного строительства. - М., 2008. - № 248. - С. 7 - 11.
5. Смолин, Ю. П. Исследование динамических воздействий автотранспортом на дорожную одежду, закрепленную синтетическим полимером [Текст] / Ю. П. Смолин, А. Л. Ланис, Д. А. Разуваев // Вестник ТГАСУ / Томский гос. архитектурно-строительный ун-т. - Томск, 2012. - № 2. - С. 230 - 234.
УДК 629.4.027
И. И. Галиев, В. А. Николаев, Б. Б. Сергеев, Е. А. Самохвалов, Д. Ю. Лукс
ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ В ЭКСПЛУАТАЦИИ
Выполнен анализ отказов боковых рам тележек грузовых вагонов на сети ОАО «Российские железные дороги» за период с 2006 по 2013 г. Выявлены недостатки известной конструкции тележки грузового вагона модели 18-100. Выполнено математическое моделирование движения колесной пары тележки 18-100, установлено негативное влияние разброса значений конструктивных параметров ходовой части вагона на показатели его динамических качеств и на безопасность движения.
Основными направлениями деятельности современного вагонного комплекса являются подготовка состава на пунктах технического обслуживания (ПТО) станций; проведение ре-
монтных работ на ПТО, в вагонных ремонтных депо и на участках текущего отцепочного ремонта; сокращение оборота вагона за счет увеличения гарантийных участков безопасного следования поезда.
Анализ допущенных отказов технических средств на сети ОАО «РЖД» по вине вагонного комплекса показывает, что одной из основных неисправностей последних лет является излом боковых рам тележек грузовых вагонов, количество изломов с 2006 г. постоянно увеличивается. Данной проблеме в последнее время уделяется пристальное внимание со стороны руководства компании ОАО «РЖД» и Федеральной службы по надзору в сфере транспорта Российской Федерации из-за финансовых потерь, связанных с трудоемкостью работ при устранении последствий данных неисправностей на перегоне.
За период с 2006 по 2013 г. на железных дорогах ОАО «РЖД» произошло 136 случаев излома боковых рам тележек (рисунок 1), а с начала 2013 г. их количество достигло 31 случая, восемь из которых привели к крушениям, 23 - к сходу подвижного состава и повлекли за собой человеческие жертвы.
Рисунок 1 - Изломы боковых рам тележек грузовых вагонов по годам за период 2006 - 2013 гг.
Оптимизация гарантийных участков безопасного проследования грузовых поездов на сети железных дорог позволила увеличить протяженность таких участков на 165 км по сравнению с 2008 г., в настоящее время протяженность гарантийных участков составляет 1170 км.
В соответствии с указанием МПС РФ от 27.03.1997 № А-369у протяженность гарантийных участков должна составлять для составов из порожних вагонов от 1000 км и более; из груженых - от 600 км.
Анализ безопасности движения грузовых поездов показывает, что изломы боковых рам тележек грузовых вагонов в вагонном комплексе после прохождения ПТО происходят при пробеге, не превышающем 600 км, и количество изломов составляет 80 %. Это минимально допустимая гарантийная протяженность, которая должна быть в соответствии с указанием МПС РФ № А-369у. В этой связи статистические данные свидетельствуют о том, что увеличение протяженности гарантийных участков не оказывает существенного влияния на показатели безопасности движения, связанные с изломами литых деталей тележек грузовых вагонов.
На рисунке 2 представлены заводы - изготовители дефектных боковых рам и их процентное распределение в общем количестве браков в вагонной инфраструктуре ОАО «РЖД».
За последние семь лет (с 2006 по апрель 2013 г.) в инфраструктуре ОАО «РЖД» произошло 136 изломов боковых рам тележек, 66 % (100 случаев) из которых не отработали даже гарантийного (пять лет) срока эксплуатации, из них 14 % - эксплуатировавшихся до момента излома менее года, 32 % - менее двух лет, 20 % - менее трех лет.
Заложниками таких обстоятельств стали прежде всего ОАО «РЖД», грузоотправители и собственники подвижного состава, которые в этих условиях понесли колоссальные финансо-
вые потери. Приведенные данные ярко характеризуют качество продукции, которая на сегодняшний день не выдерживает гарантийных сроков эксплуатации.
Польша; клеймо 6; 2; 1,5%
ОАО МЗТМ г. Мариуполь; клеймо 143; 4; 3,0% БСЗ
г. Брянск, Бежицкий
стальзавод; клеймо 12; 8; 6,0%
АВЗ Алтай-вагонзавод клеймо 22; 12; 9,0%
Румыния; клеймо К 10В; 2; 1,5%
(с 1993 года выпуск
ООО "Промтрактор' Промлит" г. Чебоксары; клеймо 33; 12; 9,0%
Прочие (контрафакт); 1; 0,7%
УВЗ
г. Нижний Тагил; \ клеймо 5; 41; 30,6%
I
КрСЗ "АзовЭлектроСталь" \
г. Кременчуг; ,,
г. Мариуполь;
клеймо 14; 22; 16,4% У
г. Мариуполь; клеймо 1291; 29; 21,6%
2006-2013 гг. 136 изломов
Рисунок 2 - Заводы - изготовители дефектных боковых рам грузовых вагонов
В соответствии с решением Совета по железнодорожному транспорту государств-участников Содружества от 20.03.2013 № ДЦ-386 на российских железных дорогах телеграфным указанием от 20.03.2013 № 3534 в период с 4 марта по 4 апреля 2013 г. был объявлен месячник «Контроль боковой рамы». В период проведения месячника выявлены и подтверждены 384 боковые рамы с дефектами в потенциально опасной зоне - радиусе Я-55. Для дополнительного контроля привлечены 3984 осмотрщика вагонов, которыми осмотрены 433105 вагонов и выявлено 120 боковых рам с трещинами в радиусе Я-55. В ремонтные предприятия для проверки средствами неразрушающего контроля направлено 5800 боковых рам, из них проверено 5178.
С начала 2013 г. в ходе проводимой ОАО «РЖД» работы по обнаружению потенциально опасных боковых рам осмотрщиками вагонов на ПТО были выявлены и подтверждены средствами неразрушающего контроля дефекты 3329 литых деталей тележек, в том числе 3118 боковых рам, из них 1989 единиц с дефектами в зоне Я-55, в том числе 1366 с недопустимыми литейными дефектами, 623 - с трещинами.
В целях локализации угрозы Российская Федерация вынуждена идти на крайние меры -отставлять из эксплуатации вагоны с потенциально опасным литьем и направлять их в ремонтные предприятия для проведения досрочного ремонта или дефектоскопирования литых деталей. Правильность принятых решений подтверждается значительным количеством дефектного литья, угрожающего безопасности движения, выявленного работниками ОАО «РЖД» и впоследствии подтвержденного средствами дефектоскопии.
Основой существующего парка грузовых вагонов в настоящее время является (и будет являться в ближайшее время) тележка модели 18-100, эксплуатационные и динамические свойства которой служат причиной многих существующих проблем железнодорожного транспорта. По мнению профессора М. Ф. Вериго [1], тележка модели 18-100 (ЦНИИ-Х3-О) представляет собой явно ухудшенный аналог широко распространенной на железных дорогах США тележки Барбера.
Основными недостатками конструкции тележки 18-100 являются
слабая связанность узлов рамы тележки в плане из-за угловых поворотов надрессорной балки на наклонных поверхностях фрикционных клиньев, которая приводит к неравномерно-
му распределению горизонтальных динамических сил и перекосу рамы, что интенсифицирует взаимодействие тележки с кузовом вагона и путевой структурой;
недостаточная связанность колесных пар с боковыми рамами тележки, которая допускает смещение боковых рам относительно буксовых узлов, обусловливает быстрый и неравномерный износ опорных поверхностей рам, корпусов букс и перераспределение нагрузок, приводящее к перегрузке осей колесных пар и снижению долговечности подшипников;
использование простейших скользунов жесткого типа и опорного соединения «пятник - подпятник» с быстро и неравномерно изнашивающимися поверхностями, что способствует ухудшению ходовых характеристик вагона, ускоряет износ колесных пар и других элементов тележки;
применение конструкций букс, неудовлетворительно взаимодействующих с опорными поверхностями боковых рам в буксовых проемах, приводит к ускоренному неравномерному износу, заклиниванию боковых рам и т. д., обусловливая перегрузку роликовых подшипников и перекос колесных пар относительно рамы тележки с соответствующими отрицательными последствиями;
обеспечение связи боковых рам с надрессорной балкой за счет работы фрикционных клиньев рессорного подвешивания не гарантирует выполнение необходимого ограничения забегания боковых рам и перекоса колесных пар;
значения упругих и диссипативных параметров системы горизонтального обрессорива-ния кузова вагона, прежде всего в порожнем его состоянии, не являются эффективными.
Недостаточная связанность элементов тележки, наличие зазоров и узлов сухого трения служат причинами возникновения повышенных динамических нагрузок на раму, что приводит к снижению коэффициента усталостной прочности и, как следствие, - к появлению трещин, являющихся причиной изломов боковых рам и надрессорных балок, приводящих к крушению поездов.
Анализ рассредоточения трещин [2], показанного на рисунке 3, свидетельствует о том, что 87 % дефектов приходится на зону буксового проема боковой рамы тележки.
0,5?%
а б
Рисунок 3 - Распределение трещин в надрессорной балке и в боковых рамах тележки 18-100
Особенно опасным видом динамических нагрузок на концевые части боковых рам являются продольные динамические усилия, возникающие в поезде при регулировочном и экстренном торможении, а также при импульсном воздействии горочных замедлителей при движении отдельных вагонов и сцепов по сортировочным горкам.
Характерными видами колебаний многих типов четырехосных грузовых вагонов существующего парка российских железных дорог являются относ, виляние и боковая качка. В число механизмов возбуждения этих колебаний входят
длинноволновые вертикальные неровности и перекашивание пути. Эти отклонения вызывают колебания частотой от 0,5 до 30 Гц;
изменения вертикальной жесткости пути, которые вызывают колебания таких же частот и типов;
коротковолновые изменения жесткости пути, связанные с различием характеристик балласта под шпалами, которые вызывают колебания с частотой до 40 Гц;
высокочастотные ударные нагрузки на стыках, особенно при выкрашивании металла на концах рельсов, вызывающие вертикальные колебания кузова, в свою очередь приводящие к возникновению низкочастотных реакций рессорного подвешивания передаваемых на путь.
Типичными механизмами возбуждения колебаний являются
- коничность поверхностей катания колес;
- ползуны и навары на колесах;
- геометрические неровности рельсов, следы боксования (пробоксовины);
- неравноупругость подрельсового основания по его длине.
Ограничениями, которые препятствуют созданию типовой системы рессорного подвешивания (состоящей из упругого элемента и гасителя колебаний) с оптимальными характеристиками, являются
- предел по минимальной вертикальной жесткости в связи с ограничением разницы в высоте автосцепок соседних вагонов в порожнем и груженом состояниях;
- стесненное габаритное пространство, отведенное для системы подвешивания;
- напряжения, возникающие в конструктивных элементах.
Сформируем математическую модель колебаний колесной пары типовой тележкой 18-100 с учетом сил трения в узлах сочленения боковых рам и букс (рисунок 4).
Рисунок 4 - Схема сил, приложенных к колесной паре
На рисунке 4 обозначено: /'Д^, /'Д^, Р}рк]1, - продольные и поперечные силы сухого трения в контакте к-й боковой рамы и 1-й буксы]-й колесной пары.
Обратимся к аналитическому определению сил, возникающих в узлах сочленения боковых рам тележки с буксами колесных пар. Перемещения букс в челюстных проемах ограничиваются значениями продольных и поперечных зазоров между боковыми рамами и буксами, а также значениями углов поворота колесных пар в плане по отношению к боковой раме.
Здесь возможны два состояния: первое - когда зазоры еще не выбраны, тогда в месте контакта действуют только силы сухого трения, и второе - когда имеет место контакт буксы и боковой рамы и возникает реакция, обусловленная значением величины деформации и контактной жесткости.
В первом случае, для перемещения колесных пар относительно боковых рам вдоль оси
пути, когда ^ ■ < 28п,-у- зазор между корпусом буксы и вертикальными стенками буксово-
ррх ррх
го проема рамы, силы трения, передаваемые боковыми рамами левой и правой буксам ]-й
колесной пары, будут равны соответственно:
= -
р/лх
(л,,,,), если ару1х <25рлх; (1)
Рр}т = -Ар^Х» (аи-2х ), если Аю-2х < 23рПх . (2)
В случае замыкания зазоров, также как и в работе [1] имеем:
рхРщ = (арЛг ) - ср ( ара х - дрПх);
РркП = (Ар>2Г)~СР (АД/2Г " 8р#х) •
(3)
(4)
где ср - жесткость материала в контакте буксы и вертикальной стенки боковой рамы; / - коэффициент трения скольжения .
Аналогично, для относительного поперечного перемещения рамы относительно буксы
имеем:
= -.//^^«(А/,/! ,;), если Дрду < 2дрПу; (5)
Грк]2 если АР]2у ^25Р]1у-
Если поперечные зазоры выбраны, т. е. Др1 у > 28р1у и А ■ 2у > 28р2у, то
(6)
(7)
(8)
Линейные перемещения колесных пар относительно боковых рам определяются по формулам:
вдоль оси пути -
(9)
Рриц =(Ад 1У)■-(,Ар]1у 5р]1у)■; ру№ = (А ру2у - др]2у).
А р11х = хкп1 + вМкп1 - хр1;
А р12 х = хкп1 - вМкп1 - ' хр2;
А р 21х = хкп2 + ввкп2 - хр1;
А р 22 х = хкп 2 - вМкп2 - хр 2;
А р 31х = хкп3 + в°кп3 - хр3;
А р 32 х = хкп3 - вМкп3 — хр 4;
А р 41х = хкп4 + вМкп4 - хр3;
А р 42 х = хкп 4 - вМкп 4 — хр 4;
(10)
в поперечном направлении
АрИу = Укп\ - №р\ - ур\; Ар12у = укп\ - Мр2 - ур2; Ар21у = укп2 + Мр1 - ур1; Ар22у = укп2 + Мр2 - ур2;
Ар31у = укп3 - Мр3 - ур3; Ар32у = укп3 - Мр4 - ур4; Ар41у = укп4 + Мр3 - ур3; Ар42у = укп4 + Мр4 - ур4.
(11)
(12)
<
<
<
В случае, когда приливы корпуса буксы вследствие поворота колесной пары относительно боковой рамы касаются вертикальных плоскостей проема этой рамы, происходит защемление буксы. При этом возникает момент сил, действующий на колесную пару, предельное значение которого зависит от величины зазоров в буксовых проемах и от характера движения колесной пары и буксовой рамы относительно друг друга. Существующие нормы деповского ремонта ограничивают значение суммарного продольного зазора в буксовом проеме величиной, равной 15 мм, а поперечного - 12 мм. На практике, как установлено во время натурных экспериментов сотрудниками кафедры «Теоретическая механика» ОмГУПСа, максимальные значения этих показателей могут достигать 29 и 18 мм соответственно.
Будем обозначать правое колесо каждой у'-ой колесной пары цифрой 1, а левое - 2. Тогда г принимает значения 1 и 2, т. е. г = 1, 2.
Введем индекс к, обозначающий номер боковой рамы тележки, при этом правым рамам тележек вагона присвоим нечетные номера 1 и 3, а левым - четные 2 и 4. Таким образом, к = 1, 2, 3, 4.
Реактивный момент, действующий на г-ю буксу у'-й колесной пары со стороны рамы и возникающий при защемлении буксы,
М,
¿к.п ]
ск^к.п ] (йк.п ] йр к йпред ),
(13)
если й —0,>0г .
Здесь j- плечо пары реактивных сил, действующих в точках контакта к-й боковой
рамы и г-й буксы, принадлежащей у'-й колесной паре; #кбуг-- максимальный угол перекоса
г-й буксы относительно соответствующей к-й боковой рамы.
Максимальный угол перекоса буксы относительно боковой рамы может достигать величины йк б^ = 17 10" рад.
Уравнения движения '-й колесной пары, с учетом взятия соответствующих производных по обобщенным координатам и скоростям, будут иметь вид:
{тк.П +2тл)^К.П,- ~тл [(%.,! 2) + а,Ц (л.п,-Лт,а) + ар.(Ук.ъ} +
Г 11 I I ,Л<-?7
2z1
к.п ]
(Лв ]1 + Лв ¡2 ) + жп [Ук.пА (а}1 — а] 2 ) -
-(<*№ ¡1 + а] 2Лг ] 2 )] + Рп
~(а]Лг ]1 + а} 2Лг ] 2 )];
Рп >"к.п./('
«Л~арУ
(14)
(«'к.п + ))'к.п,/ - Жп («/1 - «/2)>'к.п7- + тп (;7г /1 - Л г ¡2)
¿'к.п,/ («Д + «/2 ) + -«/'к. п./ («Д - С(¡2 ) - («/1>7в./1 - 2>7в./2 ) : — у — Ярд 2 — 2 у;
(Л.П .т + 2тпэ2) 1//К П1 = т,р (/;в/1 - /;в/2) - ад (,ркп/ - П,р) + Л.гт z4.il / = 1' /2х5 + Рркръ -1' ~Ррк/1в ~МТрщ ;
Л.п/Ас.п/ ~Р]\хГ]\+Р]2хГ]2
(15)
(16)
(17)
(18)
Здесь приняты следующие обозначения:
жп , Д- - коэффициенты жесткости и вязкого трения в вертикальной плоскости пути; ZK.ny, .Ук.п j, ^к.п j j - обобщенные координаты, характеризующие подпрыги-
вание, относ и угловые колебания j-й колесной пары; ^ .^, - координаты точек касания
левого (1) и правого (2) колес j-й колесной пары соответственно с правым и левым рельсами; Д^. Дгу2 - дополнительные приращения кругов катания левого и правого колес, обусловленные колебанием относа колеса, отжатием рельса и конусностью бандажей; r¡Bj^ 2 -
вертикальные геометрические неровности правого и левого рельсов под каждым колесом j-й колесной пары; 2 s - расстояние между кругами катания колес; сд, с^ - текущие значения
конусности профиля правого и левого колес в точке контакта каждой j-й колесной пары с рельсами.
Дифференциальные уравнения движения (14 - 18) интегрировались комбинированным численным методом Адамса - Башфорта - Мултона четвертого порядка с переменным шагом [3].
Наиболее характерные результаты расчетов, отражающие влияние разброса значений конструктивных параметров узлов ходовой части вагона на их динамическую нагружен-ность, представлены на рисунках 5 - 7.
Рисунок 5 - Осциллограмма продольного усилия в контакте буксы и боковой рамы при торможении: 1 - груженого вагона; 2 - порожнего
Рисунок 6 - Зависимости максимальной ударной нагруженности буксового проема от начальной скорости порожнего (1) и груженого (2) вагонов при торможении вагонным замедлителем (начальный зазор - 12 мм)
120
кН
80
трХ
грП1
60
40
20
1 1 г Ч-" 1 " ---О
— ___ ____—
- / ---е- -«
1 1 1
10
15
ММ
25
Рисунок 7 - Зависимости максимальной ударной нагруженности буксового проема от зазора в нем
для порожнего (1) и груженого (2) вагонов при торможении вагонным замедлителем (начальная скорость - 5 км/ч)
Анализ результатов расчетов по сформированной математической модели показывает, что колебания узлов тележки в разных плоскостях симметрии являются взаимосвязанными. Например, как уже было отмечено выше, вертикальные колебания подпрыгивания надрес-сорной балки влияют на уровень горизонтальных сил трения в рессорном комплекте, в результате чего процессы взаимодействия надрессорных балок с боковыми рамами, а последних - с буксовыми узлами, носят ударный характер, обусловленный замыканием кинематических связей, т. е. полным выбором зазоров между элементами тележек. Это в решающей мере влияет на динамическую нагруженность буксовых узлов и, как следствие, приводит к перераспределению повышенных нагрузок на внутреннее и наружное кольца подшипников буксы, что и является причиной их трения.
Ранее уже было отмечено, что наибольшее количество трещин (87 %) сосредоточено в буксовом проеме боковой рамы, что является следствием напряженно-деформированного состояния этого элемента, которое в решающей мере определяет безопасность движения поездов, поскольку излом рамы, в отличие от нагрева шейки оси, приводит к немедленному крушению поезда.
Таким образом, полученные результаты расчетов свидетельствуют об определяющем влиянии величины продольного зазора в буксовых проемах на динамическую нагруженность концевых частей боковых рам вагонов, что и предопределяет в решающей мере возникновение в них трещин.
Список литературы
1. Вериго, М. Ф. Взаимодействие пути и подвижного состава в кривых малого радиуса и борьба с боковым износом рельсов и гребней колес [Текст] / М. Ф. Вериго / ПТКБ ЦПМПС. - М.,. 1997. - 207 с.
2. Богданов, В. М. Снижение интенсивности износа гребней колес и бокового износа рельсов [Текст] / В. М. Богданов // Железнодорожный транспорт. - 1992. - № 12. - С. 30 - 34.
3. Цифровое моделирование колебаний пассажирского вагона при движении по прямым и криволинейным участкам пути [Текст] / В. Д. Хусидов, Л. В. Заславский и др. / Вестник ВНИИЖТа. - М., 1995. - № 5. - С. 22 - 26.
№ 3(15) ЛЛИ О ИЗВЕСТИЯ Транссиба 141
=2013 ■
