УДК 625.2.: 539.4.075 А.К. Кажигулов, канд. техн. наук, КазАТК ОСОБЕННОСТИ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЕС ПОДВИЖНОГО СОСТАВА И ПУТИ Бұл мақалада жүргізуші құрамының дөңгелегімен жолдың түйісу жағдайларындағы беріктік пен қауіпсіздікке əсер ететін динамикалық есептер қарастырылған. In clause nonlinear problems of contact interaction of wheels of a rolling stock and a way are considered at irregular еfforts, connected with conditions of maintenance of reliability and traffic safety. Надежность и безопасность движения обеспечивается, прежде всего, качеством взаимодействия пути и подвижного состава, которое определяется как динамическими возмущениями пути, так и геометрическими особенностями контакта колеса – рельс. При этом основными факторами, влияющими на эксплуатационную надежность системы подвижной состав – путь, являются: - предельные размеры взаимодействующих элементов; - эксплуатационные нагрузки; - кинетические особенности контактного движения; - внезапные отказы, связанное с усталостным происхождением. Как показано в /2/, несмотря на увеличение погонной массы рельсов, числа шпал на 1 км, заменой песчаного балласта на щебеночный и асбестовый с увеличением толщины его слоя под шпалами, доля отказов рельсов по износу головки и контактно-усталостным повреждениям повышения выросла с 10 % в 1950 г. до 87 % в 1995 г., т. е. за 45 лет доля отказов рельсов увеличилась почти на порядок. По статистической отчетности МПС РФ по крушениям и авариям на железных дорогах Российской Федерации /3/ крушения с грузовыми поездами происходят в основном вследствие неисправности пути – 41 %, вагонов – 26 %, локомотивов – 23 %. Известные экспериментальные данные подтверждают существенное влияние кинетических особенностей контактного взаимодействия на повреждения поверхностей катания колес и рельсов. Так, экспериментальные данные /4/ по испытанию образцов из колесной стали ( C = 0,61 %, M n = 09 %, Si = 0,31 %, P = 0,052 %, S = 0,04 % ) показали существенное влияние проскальзывания на усталостную прочность испытанных образцов. При качении с 10 % проскальзыванием число циклов до разрушения по сравнению с качением без проскальзывания уменьшается в 1,5 раза, а подача воды в контакт между роликами привела к уменьшению числа циклов до разрушения почти в 2 раза. Причину усталостного излома при качении с проскальзыванием профессор Л.Б. Эрлих /5/ видит в наличии растягивающих напряжений в зоне контакта, что снижает сопротивление пластической деформации и облегчает накопление остаточных деформаций, необходимых для потери устойчивости, т. е. для выкрашивания. Согласно схеме, приведенной на рис. 1 /5/, если два прижатых обкатывающихся ролика имеют различные окружные скорости, например n 1 > n 2 (проскальзывание этим и определяется), то поверхность первого ролика, являющаяся опережающей, будет приходить в зону контакта сжатой и второго – растянутой. В зоне контакта подвергаются сжатию обе поверхности, тогда одинаковые по величине нормальные напряжения вызовут пластическую деформацию прежде того поверхностного слоя, который был предварительно растянут, что является, по мнению /5/, одной из главных причин пониженной контактной прочности отстающих поверхностей. Рис. 1. Схема усталостных изломов при изгибе и выкрашивании Но, как известно, в процессе контактного взаимодействия с проскальзыванием колеса по рельсу в кривых имеет место как продольное, так и поперечное относительное проскальзывание, сопровождаемое с углом поворота колесной пары вокруг вертикальной оси, так называемый, параметр верчения, что схематически показано на рис. 2 /6/. Рис. 2. Качение с проскальзыванием колеса по рельсу Особенности контактного взаимодействия в кривых поэтому определяются касательными усилиями взаимодействия колеса и рельса, определяемых, согласно линейной теории упругого проскальзывания, в виде зависимостей /7/ Tx = - кU x , (1) T у = - кU e , (2) где к – коэффициент скольжения, U x , U y – скорости продольного и поперечного проскальзываний, соответственно, которые для жесткого пути и при малых углах поворота колесной пути имеют вид a r Dr U x = - J& + j& + , 2n r n (3) 1 U y = y& - J , n (4) где y ,J , j& – соответственно поперечное перемещение оси колесной пары, угол поворота колесной пары вокруг вертикальной оси и флуктуации скорости вращения колесной пары вокруг собственной оси; a – расстояние между кругами катания колес; n – скорость движения колесной пары вдоль оси пути; r – средний радиус круга катания колеса; Dr – флуктуации радиуса круга катания. Величины касательных усилий Tx , T y для левого и правого колес определяют обобщенные силы, действующие на колесную пару со стороны рельсов, которые являются эксплуатационными возмущениями, связанными как с неровностями поверхности катания рельсов, особенно со значениями бокового износа рельсов, так и изменениями условий сцепления колес с рельсами. При этом износ головок рельсов в кривых с радиусом менее 500 м на участках с большой поездной нагрузкой приводит к неблагоприятным изменениям контакта колеса с рельсом, вследствие как изменения предельных размеров взаимодействующих элементов, так и изменения кинетических особенностей контактного движения. Под действием износа увеличивается радиус закругления грани головки рельса, которая обращена в сторону оси пути, нарушаются условия необходимой разницы радиусов круга катания Dr , обеспечивающей надежное кинематическое вписывание, что сопровождается увеличением поперечных сил на колесе. Все это сопровождается повышенным износом рельсов и колес и увеличением нагрузки на путь. Фрактограмммы повреждений поверхностей катания колес и рельсов в условиях эксплутационной нагруженности приведены на рис. 3 /8/, которые являются следствием сложного взаимодействия колесных пар подвижного состава и пути. Эти повреждения приводят к существенным изменениям условий контактного взаимодействия по вертикальным и горизонтальным нагрузкам, эквивалентным как неровностям поверхностей катания колес и рельсов, так и условиям их контактного сцепления. Как правильно отмечается в /9/, указанные возмущения не исчерпывают всего многообразия динамических воздействий на колесные пары и служат главным образом для характеристики основных особенностей явлений взаимодействия колес с рельсами. В частности, это касается нелинейных задач контактного взаимодействия при нерегулярных нагружениях, связанных с комплексной оценкой надежности системы подвижной состав – путь по критериям контактной усталости и износостойкости. Рис. 3. Фрактограммы поверхностей трения колес и рельсов: а – на поверхности катания; б – на выкружке; в – на боковой грани; е – в – зоне наплывов, ´ 700 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Биттибаев С.М., Кажигулов А.К., Кулжанов С.К. Айдарбаев Р.В., Некоторые вопросы оценки прочностной надежности колесных пар подвижного состава //Вестн. КазАТК. 2006. № 2. С. 7–12. 2. Лысюк В.С., Желнин Г.Г., Шарапов С.Н. Повреждение рельсов и износ колес //ППХ. 1997. № 7. С. 4–8. 3. Статистические данные МПС РФ. Общая характеристика опасности крушений и аварий на железных дорогах Российской Федерации. М.: МПС, 2000. 21 с. 4. Ларин Т.В., Девяткин В.П. О природе выкрашивания поверхности катания железнодорожных колес //Контактная прочность машиностроительных материалов. М.: Наука, 1964. С. 147–151. 5. Эрлих Л.Б. Фрагменты общей теории контактных разрушений //Контактная прочность машиностроительных материалов. М.: Наука, 1964. С. 77–87. 6. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М.: Наука, 1986. 526 с. 7. Ковалев Н.А. Боковые колебания подвижного состава. М.: Трансжелдороздит, 1957. 247 с. 8. Марков Д.П. Контактная усталость колес и рельсов //Вестн. ВНИИЖТ. 2001. № 6. С. 8–14. 9. Исследование динамики и прочности пассажирских вагонов /Под. ред. С.И. Соколова. М.: Машиностроение, 1976. 223 с. Статья рекомендована д-ром техн. наук проф. Джиенкуловым С.А. 20. 05. 2006 г.