Нахили на більшості залізничних магістралей не перевищують 1% (т.б. перепад рівня полотна дороги 1 м на її довжині 100 м) від довжини по горизонталі. Нахили, що перевершують 2%, на головних залізницях зустрічаються рідко, хоча в горах бувають і більше 3%. Підйом в 4% для звичайного локомотива практично неможливий, але з ним легко справляється локомотив, оснащений колесом з механізмом зубчатого зачеплення з кремальерою шляху.
Розділ 2.Обгрунтування та вибір математичної моделі руху поїзда
2.1 Дефекти осей колісних пар
Дефекти, що виникають в осях колісних пар протягом терміну їх служби, можуть бути класифіковані по двох групах.
Дефекти першої групи- виробничі; їх запобігання досягається шляхом вдосконалення технологічних процесів і контрольних операцій на підприємстві-виробнику. Дефекти другої групи- експлуатаційні пошкодження, в основному втомного характеру; запобігти їм, в принципі, не можна, але можна своєчасно виявляти в процесі огляду із застосуванням методів неруйнівного контролю до того, як вони досягнуть небезпечної стадії розвитку.
Поєднання профілактичних заходів, здійснюваних в процесі виготовлення і експлуатації (технічного обслуговування), до теперішнього часу в основному забезпечувало безпеку руху. Проте бажання понизити експлуатаційні витрати хоч би за рахунок збільшення міжремонтних пробігів ставить проблеми глибшого вивчення причин виникнення що підлягають усуненню дефектів. Перша проблема стосується корозійних пошкоджень, ефективним способом запобігання яким є нанесення захисного лакофарбного покриття, друга поверхневих пошкоджень, найчастіше виникаючих унаслідок ударів частинок баласту, вірогідність яких зростає у міру зростання швидкості руху потягів.
Визначено два напрями вирішення другої проблеми. Як одне з них розглядають механічний захист (прикриття) осей від вказаних дій. Практичні способи захисту існують, але вони, з одного боку, утрудняють огляд і технічне обслуговування осей, з іншого боку, немає гарантії в тому, що вони надійні у випадках особливо сильних точкових ударів. Отже, викликає цікавість інший напрям- вивчення впливу ударів на цілісність осі для кращого розуміння закономірностей розвитку пошкоджень в цілях його прогнозування і контролю.
Дані дослідження були присвячені впливу надрізів, що виникають в результаті ударів частинок баласту, на зародження і розвиток тріщин в металі осі.
Характер ударних навантажень
В процесі численних спостережень під мікроскопом поверхні осей з надрізами від ударів частинок баласту встановлена різноманітність конфігурацій надрізів. Сліди від більшої частини ударів мають вид численних подряпин і вибоїн невеликої глибини, тоді як від інших, спостережувані рідше, - надрізів завглибшки до 2 мм складної форми з гострими кутами. Більш того, у випадках найбільш сильних ударів виявлявся феномен адіабатичного зрізу, явища того ж типу, що має місце при випробуваннях броньової сталі шляхом обстрілу з дуже високою швидкістю (de/dt = 104 ? 105 с-1). Це доводить, що вісь може піддаватися таким інтенсивним ударним навантаженням, в результаті яких відбуваються квазіадіабатичні деформації.
В ході спостережень визначено багато параметрів мікронадрізів, що впливають на характер тріщіноутворення. До цих параметрів відносяться глибина і профіль мікронадрізу, від яких залежить розподіл напруги, ступінь холодної спайки і наявність смуг адіабатичного зрізу.
В зв'язку з цим цікаво відзначити, що виникнення мікронадрізу від удару з великою швидкістю супроводжується двома протилежно діючими ефектами. Холодний наклеп і залишкова напруга стиснення в зоні мікронадрізу уповільнюють розвиток тріщини, а концентрація напруги в осі, навпаки, прискорює його.
Сильні удари сприяють початку втомного тріщиноутворення, і тому, очевидно, необхідно знайти відповідь на наступне питання: якщо вісь піддається ударам і зона ударної дії не співпадає з місцеположенням тріщин, які можна виявити методами неруйнівного контролю (дефектоскопії), вживаними при огляді, чи можна гарантувати безпеку експлуатації до найближчого заходу на технічне обслуговування.
Це питання вимагає глибших знань в трьох наступних аспектах:
· визначення умов початку виникнення тріщин;
· оцінка впливу мікронадрізів на розвиток тріщин;
· оцінка темпів розвитку тріщин з урахуванням того, що реальний термін служби осей по пробігу приблизно рівний трьом циклам технічного обслуговування і ремонту.
Виникнення тріщин
Виникнення тріщин під впливом тривалих навантажень розглядали як результат концентрації напруги унаслідок экструзії/інтрузії смуг постійного ковзання (Рис. 1).
Рис. 1. Схема утворення інтрузій/экструзій на поверхні металу
Дослідження дозволили визначити декілька стадій процесу:
· утворення смуг постійного ковзання в зернах фериту;
· поява экструзії/інтрузії;
· виникнення уздовж інтрузій мікротріщин і не зв'язаних між собою тріщин невеликої довжини;
· розвиток тріщин переважний в зернах фериту уздовж інтрузій в кожному зерні або уздовж меж між зернами фериту і перліту.
Розвиток в основному відбувається під кутом 45° щодо напряму максимальної напруги вигину.
Потім, починаючи з певної довжини, відбувається злиття коротких тріщин в довгі, які розвиваються перпендикулярно напряму максимальної напруги і упоперек зерен перліту.
Одним із завдань досліджень було визначення межі між стадіями зародження і розвитку тріщин в сталях, вживаних для виготовлення осей.
Експерименти проводили на відшліфованих випробувальних зразках , на яких зручно відстежувати виникнення первинних коротких тріщин і відповідно початку стадії розвитку їх перетворення на довгі з одночасним визначенням глибини тріщин по їх формі.
Спостереження за тріщинами з вимірюванням їх довжини в ході досліджень здійснювали за допомогою електронного мікроскопа по методу реплікації. Довжину можна співвіднести з глибиною, визначуваною після шліфовки в різних місцях по фронту тріщини. Крім того, виконуючи мікроскопічні зрізи, можна візуально прослідкувати еволюцію орієнтації тріщин.
Результати досліджень дозволили встановити граничну глибину тріщини 300 мкм, після якої починається стадія розвитку.
Слід зазначити, що до вказаного значення глибини тріщини практично не піддаються виявленню засобами дефектоскопії. Отже, можна припустити, що осі, на яких в процесі поточного огляду дефекти не виявлені, все ж таки можуть мати тріщини, що знаходяться на стадії виникнення або на переході до стадії розвитку.
Вимоги до земляного полотнаНеобхідність підвищення пропускної спроможності залізничних ліній, а також збільшення частки залізничного транспорту в перевезеннях пред'являє підвищені вимоги до інфраструктури і, зокрема, до земляного полотна.
Регламентуючі документиПроектування, будівництво і технічний зміст земляного полотна в Німеччині здійснюють відповідно до норм DS 836. Геотехнічні вимоги в цій інструкції відносяться виключно до шляху на баласті, причому вони дані для двох діапазонів швидкості: до 160 км/г і більше 160 км/г. Ці вимоги повинні виконуватися як при реконструкції тих, що існують, так і при будівництві нових ліній на баластній підставі для швидкісного руху.
Геотехнічні вимоги до земляного полотна безбаластного шляху містяться у відповідному каталозі, який є доповненням до DS 836. На Державних залізницях Німеччини (DBAG) крім цього введені додаткові технічні умови і рекомендації по виконанню земляних робіт.
Вимоги, обумовлені динамічними навантаженнямиНа земляне полотно і розташований під ним грунт діють статичні і динамічні навантаження. Вплив статичних навантажень відомий; динамічні навантаження, що викликають значну додаткову напругу в земляному полотні і грунті, залежать від різних чинників, а саме: від вигляду і технічного стану верхньої будови шляху, виду грунту і його шаруватості, типу рухомого складу і його стану, швидкості руху потягів і т.п.
При швидкості руху 100 км/г напруга, викликана динамічними навантаженнями, невелика, якщо шлях і пересувний склад не мають істотних дефектів. У діапазоні швидкості 100 - 160 км/г в окремих видах грунтів вже можуть виникати значні деформації, що підтверджується досвідом експлуатації. При швидкості більше 160 км/г динамічна напруга досягає значень, які необхідно враховувати для грунтів всіх видів.
Результати вимірювань показують, що стискуюча напруга в безбалластном шляху значно нижча, ніж в дорозі на щебеневому баласті (мал. 1).
Вплив швидкості, тобто частка динамічної напруги, в дорозі на баласті виражена значно сильніше. При швидкості 300 км/г в земляному полотні може виникати стискуюча напруга до 100 кН/м2.
Іншим, не менш важливим критерієм є динамічна стабільність земляного полотна, що визначає об'єм робіт по його поточному змісту (таблиця).
Оцінка динамічної стабільності земляного полотна и грунту | ||||||||
Показник | Характеристика верхньої будови шляху | Значеня показника при швидкості поїзда, км/г | ||||||
100 | 160 | 200 | 250 | 300 | 350 | |||
Швидкість коливань (эффективе значення), мм/с | Жорстка основа, міцний грунт | - | 8 | 10 | 13 | 16 | 20 | |
Балласт, грунт: міцний неміцний | - - | 16 25 | 20 30 | 26 40 | 32 50 | 40 60 | ||
Коэффициент Kdyn | Жорстка основа | 1 | 1,1 | 1,15 | 1,2 | 1,3 | 1,3 | |
Балласт | 1 | 1,4 | 1,6 | 1,8 | 2,0 | 2,0 | ||
Примітка. Динамічна складова визначаєтся множенням навантаження, що викликає осадку, на коефіцієнт Kdyn. |
Динамічна складова навантаження, що враховується коефіцієнтом Kdyn, зростає з підвищенням швидкості. При 300 км/г вона вища, ніж при 100 км/г, на 30 % в дорозі на жорсткій підставі і на 100 % на баластному.
Таким чином, при високій швидкості руху можливість застосування шляху на баласті обмежується за умовами механіки грунтів. Одна з причин цього - звуження зони розподілу стискуючої напруги під шпалами, що неминуче приводить до підвищення їх величини. Якщо додається ще і високий рівень грунтових вод, то земляне полотно досить швидко може прийти в стан, близький до критичного.
Геотехнічні вимогиДо несучих шарів земляного полотна пред'являють певні вимоги відносно розмірів, виду грунту, його щільності і водопроникності. При цьому завжди слід віддавати перевагу земляному полотну і грунту, що володіє рівномірно розподіленою несучою здатністю і щільністю, тим більше що існує метод проведення земляних робіт з суцільним динамічним контролем ущільнення (FDVK), що дозволяє виявити дефектні місця.
Жорстка підстава безбаластного шляху створює інші (в порівнянні з баластним) умови навантаження розташованих під ним шарів грунту. У зв'язку з цим до них пред'являються інші вимоги, зокрема, потрібна мінімальна деформованість. На нових лініях, що реконструюються, є відмінності як в товщині захисних шарів, так і у вимогах до несучої здатності і щільності.
Порівняння геотехнічних вимог до баластних і безбаластних шляхів стосовно нових ліній, що реконструюються, показало, що до шляху на жорсткій підставі вимоги значно вищі.
2.2 Дослідження напруженого стану плями контакту колеса і рейки
Взаємодія колеса і рейки є фізичною основою руху рухомого складу по залізницях. Від параметрів цієї взаємодії багато в чому залежать безпека руху і основні техніко-економічні показники господарств шляху і рухомого складу. Так, зокрема, втрати енергії, обумовлені зношуванням в системі колесо-рейка, складають 10% - 30% паливно-енергетичних ресурсів, що витрачаються на тягу. Крім того, витрати на реновацію рейок і колісних пар складають чималу частину загальних витрат дистанцій шляху і локомотивних і вагонних депо відповідно. Особливо великі витрати у зв'язку з цими витратами несуть локомотивні депо, оскільки за останні півстоліття середній термін служби локомотивної колісної пари істотно скоротився.
Серед причин, що викликали в 60-х - 80-х роках минулого сторіччя значне зростання інтенсивності зношування колісних пар, слід зазначити заміну самшитових підшипників ковзання підшипниками кочення, збільшення довжини і маси потягів, звуження колії до 1520 мм, введення профілю рейок (1979г.), що передбачає двоточковий контакт бандажа з головкою рейки та інші. Все це в сукупності призвело до істотної зміни навантаження зони контакту, температури і умов змазування в цій зоні, а також до зміни середньостатистичній швидкості ковзання колеса в поперечному щодо головки рейки напрямі. Результатом цих змін стало істотне зростання інтенсивності зношування коліс рухомого складу, яке, у свою чергу привело до катастрофічних результатів для локомотивного господарства: до кінця дев'яностих років витрати на реновацію колісних пар досягли неприпустимо великих розмірів.
На мал. 1. і 2. представлені графіки заповнення мережі залізниць Росії загартованими рейками [1] і діаграми структури обточувань колісних пар по експлуатаційному парку локомотивів на мережі залізниць Російської Федерації за 1999 і 2002 рр. [2].
Рис.2 - Заповнення мережі залізниць Росії загартованими рейками
Рис.3 - Структури обточувань колісних пар по експлуатаційному парку
локомотивів на мережі залізниць Російської Федерації за 1999 і 2002 рр.
З порівняльного аналізу діаграм очевидно, що одночасно із зростанням питомої ваги об'ємно загартованих рейок зростає і частка обточувань по зносу гребеня. Така інтенсивність зносу викликала зростання експлуатаційних витрат в локомотивному і вагонному господарствах, пов'язаних з позаплановими обточуваннями колісних пар, додатковим придбанням нових бандажів і коліс.
Відзначимо, що обточування коліс, досягши товщини гребеня мінімального значення, пов'язане із зрізом більшого об'єму металу (так званий технологічний знос) з поверхні катання. Це істотно скорочує термін служби бандажа Рис.4.
Рис.4- Профіль зносу гребеня:
а - профіль зносу 1960 р., б - профіль зносу 1986 р.
З метою зниження інтенсивності зношування КП до прийнятних значень останніми роками проводиться ряд заходів технічного і організаційно-технологічного характеру [3] (поліпшення конструкції шляху і рухомого складу, вдосконалення геометрії профілю поверхні катання КП і рейок, підвищення якості їх металу і т.д.). На жаль жодне з цих заходів в повному об'ємі проблеми не вирішило.
Кардинальне рішення питання може бути знайдене тільки на базі використання наукових знань в області взаємодії пари колесо-рейка. Необхідне проведення науково обгрунтованої модернізації колісних пар з одночасною розробкою заходів, що забезпечують ефективну експлуатацію і ремонт модернізованих колісних пар.
До технологічних заходів щодо зниження зносу бандажів колісних пар локомотивів відносяться наступні заходи: дослідження процесу взаємодії колеса з рейкою і дія на чинники, що впливають на швидкість зношення бандажа, конструктивні заходи щодо підвищення ресурсу, технологічні методи зміцнення бандажів, зменшення тертя між бандажем і рейкою, контроль і прогнозування технічного стану і ін. (Рис.5.).
Рис.5- Заходи щодо зниження зношення бандажів колісних пар
На зносостійкість пари “колесо - рейка” за даними [4] впливають: твердість матеріалу бандажів, рейки, вміст вуглецю, структура металів і вміст сірки. Твердість металу є одним з найбільш важливих чинників, які впливають на зношення коліс рухомого складу. Впровадження за останнє десятиліття термічної обробки рейок і додання їм твердості 360 НВ безперечно зіграло важливу роль в поліпшенні роботи залізниць. Проте із зміною твердості рейок заходів по підвищенню твердості бандажів зроблено не було. В результаті відношення твердостей сталі колеса і рейки стало 0,75, це істотно змінило характер зносу в парі “колесо - рейка”. У дослідженнях Вніїжта [4], [5] 1960 - 1990х років наголошувалося, що для рівної зносостійкості відношення твердості колісного зразка до твердості рейкового зразка повинне бути близько 1,2 при прослизанні до 1%, а при прослизанні до 10% - 1,0 - 1,1.
Таким чином, встановлення оптимальної твердості поверхні катання колеса є складним завданням, рішення якого повинне здійснюватися системно з обліком, різних параметрів, а величина твердості поверхні катання коліс на сьогоднішній час обмежена величиною .
Розробка ефективних методів зниження ступеня зносу залежить від наявності методик дослідження, оцінки параметрів контактної взаємодії пари “колесо - рейка” за допомогою чисельних методів.
Завдання контакту кочення двох пружних тіл, що мають однакові характеристики пружності, як для колеса і рейки, може бути представлене роздільно у вигляді нормального і тангенціального завдань. Мета першого завдання полягає у визначенні розміру і форми площадки контакту, а також розподіли нормальної контактної напруги. Результати вирішення нормальної задачі використовуються для знаходження рішення тангенціальною, такою, що полягає в знаходженні розподілу дотичної напруги і моменту в зонах зчеплення і прослизання контактної площадки.
