Влияние продольных сил в поездах на опасность схода вагонов в зависимости от их загрузки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Влияние продольных сил в поездах на опасность схода вагонов в зависимости от их загрузки

Ю. С. Ромен,

главный научный сотрудник, профессор, ОАО «ВНИИЖТ»

Л. А. Мугинштейн,

доктор техн. наук, главный научный сотр., ОАО «ВНИИЖТ»

Л. И. Неверова,

научный сотрудник, ОАО «ВНИИЖТ»

Основной причиной сходов является сочетание неисправностей вагона, состояния пути и нарушения режима вождения поезда. Устойчивость колеса от схода с рельсов определяется двумя основными факторами: отношением боковой силы взаимодействия к вертикальной нагрузке на колесо и углом его набегания на боковую грань головки рельса, которые обуславливаются динамическими процессами движения экипажа в рельсовой колее и величиной продольных сил, действующих на вагон в составе поезда.

В результате нарушений режима вождения в поезде могут возникать большие продольно-динамические силы как растягивающие, так и сжимающие. Эффект от действия продольных сил определяется их направлением и положением вагона по отношению к соседним экипажам в сцепе [1]. При расположении вагонов под углом друг к другу в плане возникают поперечные горизонтальные составляющие продольных сил; а при разности высот их автосцепок — вертикальные составляющие, создающие дополнительно пригруз или разгрузку соответствующих колес экипажа в зависимости от его колебаний. Это оказывает влияние на соотношения боковых и вертикальных сил взаимодействия, обуславливающих условия вкатывания колес на головку рельса.

Поскольку «состав из вагонов с автосцепками представляет собой многозвенный шарнирно-стержневой механизм» [1], перекос звеньев которого наступает, когда сжимающие силы достигнут критической величины потери устойчивости поезда как многозвенного механизма, то согласно нормам [2] «при проектировании необходимо проверять устойчивость вагонов против выжимания, принимая сжимающие силы равными 0,5 МН для порожних четырехосных вагонов и 1 МН для полностью загруженных».

Несмотря на то что теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что при силах меньшей величины не должно происходить выжимание вагонов вследствие потери устойчивости поезда, практика показы-

вает, что в поездах, движущихся со скоростями свыше 50 км/ч, сходы происходят и при продольных силах меньшей величины. Особенно это проявляется у порожних вагонов, для которых характерно интенсивное виляние в эксплуатационном диапазоне скоростей. Поэтому кроме продольной устойчивости состава на выжимание для скоростей, превышающих критическую скорость виляния, при наличии продольных сжимающих сил следует рассматривать продольно-поперечную устойчивость движения системы вагонов в поезде.

Следует отметить, что наличие продольных сил не только ведет к увеличению интенсивности виляния, но и способствует уменьшению вертикальных нагрузок в системе колесо-рельс, то есть к уменьшению сил, препятствующих вкатыванию колеса на головку рельса, а также большему повороту тележек с увеличением угла набегания колеса на рельс. В таких ситуациях уменьшение устойчивости колеса на рельсе наблюдаются не как результат прямого действия продольной силы большой величины, а как следствие интенсивных колебаний экипажа. Это особенно проявляется в зоне переходных кривых, для которых характерно наличие дополнительных возмущений ударного характера [3].

Для определения взаимосвязи между величиной и характером изменения продольной силы, воздействующей на порожний вагон, боковыми и вертикальными силами взаимодействия, а также величиной коэффициента устойчивости от всползания колеса на головку рельса, было проведено математическое моделирование движения

вагонов с различной осевой нагрузкой при действии продольных сил в поезде. В ходе математического эксперимента рассматривались динамические процессы взаимодействия экипажа с различной загрузкой и пути при действии на вагон продольных сил.

На рис. 1 приведены результаты расчетов по определению критической скорости порожнего вагона (скорости начала виляния) в зависимости от величины продольных сил, действующих от соседних вагонов при разности высот автосцепок 80 мм.

Для иллюстрации влияния величины продольных сил на процессы взаимодействия в системе колесо-рельс на рис. 2 приведены результаты расчетов движения порожнего вагона со скоростью 80 км/ч по участку пути с кривой радиусом 650 м. Продольная сила, начиная с отметки 100 м, плавно возрастает, сохраняя максимальную величину 30 тс в пределах переходной кривой. Из приведенных осциллограмм видно, что при наличии такой продольной силы в пологой кривой величина боковых сил взаимодействия практически не меняется, однако продольные силы вследствие уменьшения вертикальных нагрузок оказывают влияние на величину коэффициента устойчивости от схода с рельса.

Результаты моделирования показали, что при эксплуатационных скоростях наибольшее влияние на величины сил взаимодействия оказывают устойчивость движения экипажей, план пути (наибольшие силы обычно наблюдаются в переходных кривых) и величины продольных сил в поезде.

Поскольку продольные силы не только вызывают выжимание вагона, но являются частью всей совокупности процессов взаимодействия, влияние их величины на безопасность движения весьма существенно. Так, при моделировании было показано, что приложение продольной силы в 20 тс уменьшало среднюю величину коэффициента устойчивости от схода примерно на 20 %, а для силы в 40 тс эта величина составляет около 50 %.

Таким образом, даже при отсутствии «выжимания» по классической теории устойчивости поезда наличие продольных сжимающих сил может стать фактором, провоцирующим сход вагонов, несмотря на то, что основной причиной всползания колеса на рельс является сочетание процессов динамического взаимодействия колебаний виляющего

подвижного состава и пути, а не нарушение устойчивости поезда как стержневой системы.

С увеличением загрузки вагона увеличивается критическая скорость начала виляния и уменьшается влияние величины продольных сил на процессы виляния (рис. 3).

Влияние веса вагона на его устойчивость в рельсовой колее обуславливается следующими основными факторами:

• изменение загрузки вагона приводит к изменению его инерционных параметров;

• нагрузка препятствует всползанию гребня колеса на рельс;

• с увеличением веса кузова уменьшается влияние величины продольных сил, вызывающих изменение вертикальных и боковых сил в системе колесо-рельс;

• изменение вертикальной нагрузки на площадке контакта в системе колесо-рельс приводит к изменению крипо-вских сил, вызывающих виляние железнодорожного экипажа.

Основной приток в систему энергии, вызывающей виляние, обуславливается работой продольных сил псевдоскольжения, возникающей вследствие разности кругов катания конических колес при их смещениях в рельсовой колее.

Момент продольных сил вызывает поворот колесной пары экипажа и увеличение амплитуды виляния [4]. Рассеивание энергии в системе ходовых частей экипажа происходит при взаимодействии колесных пар тележки с над-рессорной частью, а в системе колесо-рельс — вследствие неравномерного изменения профиля поверхностей катания колес и поворота тележки при набегании колесной пары на рельс [5]. Поэтому уменьшение величины сил псевдоскольжения приводит к уменьшению скорости начала виляния (рис. 4).

Расчеты показывают, что с уменьшением устойчивости движения вагона влияние величины продольных сил возрастает. Это видно на рис. 5, где приведены результаты расчетов минимальных величин коэффициента устойчивости в прямой и пологой кривой для вагонов с различной загрузкой при движении поезда по пути хорошего состояния (очертания рельсовой колеи получены непосредственными замерами на одном из участков действующей линии).

Изменение склонности к вилянию порожнего вагона при неизменных параметрах экипажа, пути и скорости движения, показанное на рис. 5, имитировалось в процессе моделирования изменением величины эффективной коничности поверхности катания колес.

На рис. 6 приведены минимальные величины коэффициентов устойчивости от схода с рельсов в зависимости от загрузки вагона и величины продольных сжимающих сил в поезде.

Натурные эксперименты проводили со сцепом порожних вагонов в прямой и кривых радиусами 392 м (возвышение 130 мм) и 650 м (возвышение 110 мм) при скоростях движения от 40 до 80 км/ч. Объектом испытаний являлась группа из трех 4-осных порожних вагонов-хопперов. Ходовые части вагонов находились в среднеизношенном состоянии (около года после деповского ремонта). Величины продольных сил, задаваемых при опытных заездах в одних и тех же местах Экспериментального кольца, различались как по величине (от 20 до 80 тс), так и по интенсивности нарастания при повторных поездках.

Поскольку величина и характер параметров динамических процессов взаимодействия обусловлены случайным сочетанием различных факторов,

№ 3 (46) 2013

«Транспорт Российской Федерации» | 65

0.002

а.

* II .......

3

■а '¡.■■:' §

-0,002

_125_

_125_

225

_225_

М

Продольная сила отсутствует

Л25_

4.0 3.0 ^ 2.0 1.0 00

1 ' г 1 11 1 1

75

125

175

225

275

325

375

Действует продольная сила 30 т

4.0 3,(1 ¡к"- " ■:' 1.0 0.0

11 Г 1 II11 1 1

1 II

75

125

175

225

275

325

375

-100 -200

-300 -400

175

225

275

325

ЭГ'5

Рис. 2. Осциллограммы движения порожнего вагона в кривой R=650 м, с возвышением 100мм при непогашенном ускорении 0,15 м/сек2

М

М

М

М

М

25

Р , тс

гр

50

75

■ N = 0 тс

пр

■ N = 30 тс

пр

N = 60 тс

пр

Рис. 3. Влияние величины загрузки вагона на критическую скорость виляния в зависимости от сжимающих сил

результат действия сил одной величины может по-разному сказываться на опасности схода даже при одинаковых скоростях движения, что видно по разбросу точек на графиках рис. 7.

Поскольку эффект от приложения продольной силы в известной мере зависит от скорости движения, результаты замеров приведены для скоростей меньших и больших 60 км/ч. Граничная величина 60 км/ч взята на том основании, что для испытанных порожних вагонов она являлась началом потери устойчивости и развития интенсивных боковых колебаний. Поэтому при скоростях больших этого значения отрицательный эффект действия величины продольной силы сказывался по-разному в прямых участках пути, пологих и крутых кривых.

Влияние скорости движения на устойчивость к сходу порожнего вагона под действием продольных сил видно при сравнении коэффициентов регрессии для диапазонов скоростей меньше 60 км/ч и больше этой величины. Соответствующие параметры регрессии различаются почти в 2 раза.

В одинаковых условиях движения на прямом участке пути и в пологой кривой хорошего состояния при значениях продольных сил около 30 тс и интенсивном вилянии возникают ситуации, когда коэффициент устойчивости от схода достигает опасных по нормативам безопасности величин, а при их увеличении до 50 тс величина этого критерия становится меньше 1.

В крутой кривой, где превалируют квазистатические процессы вписывания, слабее сказывается влияние величины продольной силы на силы взаимодействия. Однако и здесь большинство зарегистрированных случаев

появления величины К < 1,3 относятся

у '

к скоростям, превышающим 60 км/ч, вследствие интенсивных вертикальных колебаний и больших непогашенных ускорений. Это приводит к возникновению опасных ситуаций даже при отсутствии продольных сил, что обусловлено сильным влиянием на устойчивость от схода в крутых кривых таких факторов, как состояние пути и ходовых частей экипажа. Естественно, появление в подобных ситуациях (достаточно частых в эксплуатации) дополнительно продольных сил, уменьшающих вертикальные нагрузки, способствует уменьшению коэффициента устойчивости колеса на рельсе.

Для оценки влияния продольных сил на опасность схода порожних вагонов была проведена статистическая обработка экспериментальных данных процессов взаимодействия порожних вагонов и пути в составе поезда с гружеными вагонами. Рассматривалось движение в прямых и пологих кривых, где, как было показано, на опасность схода в первую очередь влияют динамические процессы потери устойчивости движения. Уравнение регрессии для определения коэффициента устойчивости К колеса на рельсе в зависимости от величины продольной силы Р в этом случае имеет вид:

К = 3,3 - 0,023Р

у ' '

При обобщении результатов соответствующие максимально вероятные значения отклонений в эксплуатационном диапазоне величин процессов взаимодействия можно оценить с принимаемой обычно вероятностью величинами в 2,5ст. В этом случае с точностью порядка 10 % разброс для экстремальных значений коэффициента безопасности от схода может быть оценен в 1,4, и минимально вероятную величину К в зависимости от величины продольной силы можно записать в виде выражения:

Z ж

0.1

0.15

0.2

0.25

Рис. 4. Зависимость критической скорости от максимальной величины коэффициента трения колеса по рельсу к

а) |__1

ГГ ---———_ " * ■ - .Г"! "i 3 д

е

-И.> Nn„> тс

-40

- 60

Min К = 1,9-0,0023F,

у > > >

где величина продольной силы F выражена в кН.

Так как предельно допустимая величина [К] = 1,3, допустимую величину продольной силы можно получить, подставив данное значение в левую часть полученной зависимости, что позволяет оценить её максимально безопасное значение в 300 кН.

В крутых кривых, согласно проведенным экспериментам, средняя величина коэффициента устойчивости колеса на рельсе составляет 2,74. Если считать, что величина вероятного разброса, как получено выше, составляет 1,4, то можно положить, что минимально вероятная величина коэффициента устойчивости в крутых кривых составляет 1,34, что несколько выше допустимой величины.

Таким образом, на основании проведенных исследований можно считать, что для обеспечения безопасности движения в поезде, состоящем из порожних и груженых вагонов, величина продольной силы, действующей на порожний вагон, не должна превосходить 300 кН, или 30 тс.

2.5

2.0

1.5

1.0

0,5

0.0

б)

1 О § -

Ir^^^r^^r^-I^____

4 • —1 я д " • * - -3

II - ill _ 411 _ 1,11

□ - Коничность у = 0,05

О----Коничность у = 0,07

Д--Коничность у = 0,1

Рис. 5. Зависимость коэффициента устойчивости от действия продольных сил при движении порожнего вагона со скоростью 80 км/ч а) в прямой, б) в кривой R=650 м, h=100 мм

Из проведенных исследований следует, что продольные силы являются фактором, резко снижающим устойчивость от всползания колеса при вилянии, хотя и не наступает выжимание вагонов в составе вследствие потери его устойчивости как шарнирно-стерж-

невой системы. Это объясняет многочисленные случаи схода порожних вагонов, при которых не было установлено явно выраженных расстройств пути, неисправностей вагонов и резких изменений режимов управления поездом.

№ 3 (46) 2013

«Транспорт Российской Федерации» | 67

к

□

4.0

3.5 3.(1

гл 2.0 1.5 1.(1 <1.5 <1,(1

□ Ргр = 0 тс, средние значения (Ргр = 0 тс) О Р = 25 тс, средние значения (Р = 25 тс)

Д Р = 50 тс, средние значения (Ргр = 50 тс) х Р, = 75 тс, средние значения (Ргр = 75 тс)

Рис. 6. Зависимость коэффициента устойчивости от действия продольных сил для различных величин веса груза при движении вагона со скоростью 80 км/ч: а) прямая, б) кривые R=650 м, 11=100 мм

V = -0.014х + 3.186 , д ' а

* У ■ ь- < 1Д

Г к | д/г-д

у = -0,1125х + 3.272 * * "

10 20 30 40 50 60 70 80 90

у = 0.004х + 2.702

х

-т:

к

* к

у — 0.015х + 2.201

10

20

30

4(1

50

60

Д - V« 60 км/ч X--V > 60 км/ч

Рис. 7. Зависимость коэффициентов устойчивости от действия продольных сил а) в прямой и кривой R=650 м, б) в кривой R=392 м

Поэтому в прямых участках пути с радиусами кривых более 600 м опасной по потере устойчивости порожних грузовых вагонов следует считать величину продольной сжимающей силы 30 тс, а в кривых с радиусами менее 600 м до проведения дополнительных исследований опасным в поезде следует считать принятое значение продольной сжимающей силы 50 тс.

Результаты моделирования режимов движения составов из порожних вагонов по участкам с предельно сложным изменением профиля пути показывают, что силы сжатия обычно не превышают критической величины 30 тс. С учетом этого поезда с составами из порожних вагонов на участках со спусками до 10 %о могут обращаться без специальных ограничений на режимы движения, в то время как на спусках, превышающих 10 %о, необходима отработка безопасных режимов вождения таких поездов на конкретных участках.

Использование в обращении поездов смешанного формирования с расположением групп груженых вагонов в хвосте состава не рекомендуется по условиям устойчивости порожних вагонов. В тех случаях, когда груженые вагоны располагаются в первой части состава, они не оказывают существенного влияния на силы сжатия в группе порожних вагонов. В этих случаях безопасность порожних вагонов следует рассматривать так же, как и безопасность движения поездов из порожних вагонов, длина которых соответствует длине группы порожних вагонов в поезде смешанного формирования. □

Литература

1. Вершинский С. В., Данилов В. Н., Хуси-дов В. Д. Динамика вагона. М.: Транспорт, 1991. 360 с.

2. Нормы расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм. М.: ГосНИИВ - ВНИИЖТ, 1996. 319 с.

3. Ромен Ю. С. О нелинейных колебаниях железнодорожного экипажа в кривых произвольного очертания // Тр. ВНИИЖТ. Вып. 347. М.: Транспорт, 1967. С. 5-26.

4. Ромен Ю. С. Влияние рассеивания энергии в системе на характер горизонтальных колебаний четырехосных грузовых вагонов // Тр. ВНИИЖТ. Вып. 385. М.: Транспорт, 1967. С. 108-115.

5. Неймарк Ю. И., Фуфаев Н. А. Динамика неголономных систем. М.: Наука, 1967. 520 с.

^ тс

"п? тс

"п? тс

68 |

№ 3 (46) 2013