На правах рукописи ИВАНОВ Вячеслав Владимирович

На правах рукописи
ИВАНОВ Вячеслав Владимирович
СНИЖЕНИЕ УДАРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА КОЛЕСО ГРУЗОВОГО ВАГОНА
ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ РЕЛЬСОВОГО СТЫКА
Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог,
тяга поездов и электрификация»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
ОМСК 2011
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет
путей сообщения» (ГОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)»).
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор,
заслуженный изобретатель РФ
БОРОДИН Анатолий Васильевич.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
НИКОЛАЕВ Виктор Александрович;
кандидат технических наук, доцент
МАСЯГИН Василий Борисович.
Ведущая организация:
государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей
сообщения» (ГОУ ВПО «ДВГУПС»).
Защита диссертации состоится «17» июня 2011 г. в 900 часов на заседании
диссертационного совета Д 218.007.01 при государственном образовательном
учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)») по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.
Автореферат разослан «16» мая 2011 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой
печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета
Д 218.007.01.
Тел./факс: (3812) 31-13-44, е-mail: nauka@omgups.ru
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук,
профессор
О. А. Сидоров.
_________________________
© Омский гос. университет
путей сообщения, 2011
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В соответствии со Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г., утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 17.06.2008 № 877-р, планируемые целевые параметры грузовых вагонов предполагают осевые нагрузки
27 – 30 тс и скорость до 140 км/ч, а также увеличение наработки грузовых вагонов на отказ на 30 – 40 %. В настоящее время снижение количества отказов
грузовых вагонов, в частности, ходовых частей, достигается путем увеличения
протяженности бесстыкового пути и перевода подвижного состава на колеса
повышенной твердости.
В России доля стыкового пути составляет около 57 % от всей протяженности
железных дорог России. Однако бесстыковой путь требует разрядки температурных напряжений, поэтому между бесстыковыми плетями укладывают три – четыре
уравнительных пролета из рельсов длиной 25 м. В связи с этим при укладке бесстыкового пути по-прежнему широко применяются стыковые соединения рельсов,
поэтому требования к их эксплуатационным характеристикам возрастают.
Большая необрессоренная масса и несовершенство рессорного подвешивания
и поверхности катания колесной пары тележки модели 18-100 приводят к возникновению и развитию дефектов рельсов и особенно рельсового стыка.
При движении по стыковому пути в результате ударного взаимодействия
колеса и рельсового стыка происходит разрушение поверхностей катания головок рельсов вблизи стыка, образование смятий и выкрашиваний, переходящих
на торцовые поверхности стыкуемых рельсов, что приводит к увеличению стыкового зазора и возрастанию ударного воздействия на колесо грузового вагона.
Сталь с повышенным содержанием углерода, применяемая для изготовления колес повышенной твердости, имеет твердость 320 – 360 НВ и ударную
вязкость KCU 16 Дж/см2. Это приводит к снижению прочности колеса под воздействием ударной нагрузки, особенно при прохождении рельсовых стыков с
дефектами, где сила удара достигает 40 тс. При этом в области контакта колеса
и рельсового стыка возникают значительные механические напряжения, величина которых превышает предел текучести колесной стали.
В связи с этим необходимость снижения ударного воздействия на колесо
грузового вагона при прохождении рельсового стыка является актуальной.
Основанием для выполнения диссертационной работы послужил план
НИР ОмГУПСа – госбюджетная тема ГБ 154, номер государственной регист3
рации 01.95.0 000749 «Повышение несущей способности и ресурса механических устройств железнодорожного транспорта». Работа соответствует приоритетным направлениям исследований раздела «Повышение надежности работы и увеличение эксплуатационного ресурса технических средств» Стратегических направлений научно-технического развития ОАО «Российские железные
дороги» на период до 2015 г.
Цель работы – снижение ударного воздействия на колесо грузового вагона при прохождении рельсового стыка путем разработки и предложения
научно обоснованных технических решений.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
1) провести анализ отечественного и зарубежного опыта исследования
ударного взаимодействия колес грузовых вагонов и рельсовых стыков;
2) разработать математическую модель ударного воздействия на колесо
грузового вагона со стороны рельсового стыка, учитывающую изменение геометрических параметров стыковых поверхностей рельсов в эксплуатации и
колебаний необрессоренных частей грузового вагона, вызванных импульсным
воздействием со стороны рельсового стыка;
3) выполнить моделирование напряженно-деформированного состояния
колеса грузового вагона, обусловленного воздействием ударной силы со стороны
рельсового стыка и оценить влияние выщербины на поверхности катания колеса;
4) разработать методику расчета ресурса колеса грузового вагона, учитывающую спектр амплитуд эксплуатационной нагрузки;
5) разработать конструктивные решения стыкового соединения, снижающие ударное воздействие на колесо грузового вагона;
6) уточнить методику расчета силы ударного воздействия на колесо грузового вагона при прохождении модернизированных рельсовых стыков;
7) провести сравнительную оценку работоспособности модернизированных
рельсовых стыков и выполнить оценку их технико-экономической эффективности.
Объектом исследования является колесо грузового вагона при его взаимодействии с поверхностями стыкового соединения рельсов.
Методы исследования. Теоретическая часть работы представляет собой
исследование наиболее неблагоприятных динамических воздействий на колесо
грузового вагона, основанное на принципах аналитической механики. Расчет
ударной силы, возникающей в процессе взаимодействия колеса грузового вагона и рельсового стыка, выполнен на основании уточненной математической
4
модели, учитывающей возникающие в эксплуатации дефекты поверхности катания в стыках. Оценка прочности колеса грузового вагона и элементов модернизированных рельсовых стыков выполнена путем моделирования напряженнодеформированного состояния с применением метода конечных элементов и
основных положений теории упругости.
Научная новизна диссертации состоит в следующем:
1) сформирована математическая модель ударного воздействия на колесо
грузового вагона со стороны рельсового стыка с учетом изменения геометрических параметров стыковых поверхностей рельсов в эксплуатации, а также колебаний необрессоренных частей грузового вагона, вызванных импульсным воздействием со стороны рельсового стыка;
2) предложена методика моделирования с использованием метода конечных элементов напряженно-деформированного состояния колеса грузового
вагона под воздействием ударной силы со стороны рельсового стыка;
3) предложена методика расчета ресурса колеса грузового вагона, основанная на корректированной гипотезе суммирования повреждений;
4) уточнена математическая модель ударного воздействия на колесо грузового вагона при прохождении рельсовых стыков с конструктивными изменениями, защищенными патентами на полезные модели и изобретение;
5) создана методика расчета силы сопротивления упругому прогибу в
рельсовом стыке при соединении рельсов внахлестку.
Достоверность научных положений и результатов диссертации обоснована применением корректных математических и конечно-элементных моделей. Данные, полученные при математическом моделировании, имеют качественную и количественную сходимость с экспериментальными данными, полученными другими авторами (Н. Н. Кудрявцев, П. С. Анисимов). На технические решения получены патенты на полезные модели и изобретение.
Значение результатов работы для теории и практики. Математическая модель ударного взаимодействия колеса грузового вагона и рельсового
стыка позволяет учитывать контактную жесткость колеса и рельса, геометрические параметры дефектов рельсового стыка, толщину обода колеса. Моделирование напряженно-деформированного состояния колеса грузового вагона под воздействием ударной силы с применением метода конечных элементов позволяет учесть реальную геометрию профиля катания, толщину и прочность обода колеса грузового вагона, а также оценить возникающие ме5
ханические напряжения в любой точке обода и диска. Предложенные варианты модернизации стыкового соединения рельсов обеспечивают снижение
ударного воздействия на колесо грузового вагона на 20 – 50 % в условиях
роста скоростей движения и увеличения нагрузок на ось.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследований обсуждались на III международной конференции «Проблемы механики современных машин» (Улан-Удэ, 2006), всероссийской научной конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск,
2006), V международной научно-практической конференции «Trans-Mech-ArtChem» (Москва, 2008), научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 2008), 63-й
научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов
«Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук» (Омск, 2009),
международной научно-практической конференции «Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности» (Омск, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, из
них три статьи – в изданиях Перечня, определенного ВАК Минобрнауки России, и четыре патента на полезные модели и изобретение.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из
введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка из 131
наименования, пяти приложений и содержит 170 с. основного текста, 61 рисунок и 27 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана общая характеристика неисправностей колес повышенной твердости грузовых вагонов, приведена статистика отказов и распределения трещин в элементах колеса, определены цель научного исследования и
задачи, которые необходимо решить для достижения указанной цели, выбраны
методы их решения.
В первом разделе для формулировки цели и задач диссертации, выбора
методов и направления исследований выполнен анализ работ в области взаимодействия колес грузовых вагонов и пути в зоне рельсового стыка.
Исследованию взаимодействия вагона и рельсового пути, а также динамических процессов в системе «колесо – рельс» и, в частности, в зоне рельсового стыка
посвятили свои труды отечественные и зарубежные ученые: А. Ю. Абдурашитов,
6
П. С. Анисимов, И. В. Бирюков, Е. П. Блохин, Ю. П. Бороненко, Г. П. Бурчак,
М. Ф. Вериго, С. В. Вершинский, И. И. Галиев, А. М. Годыцкий-Цвирко, В. Н. Данилов, Н. Е. Жуковский, А. А. Камаев, В. А. Камаев, А. Я. Коган, В. И. Колесников,
В. Н. Котуранов, Н. Н. Кудрявцев, В. А. Лазарян, В. Ф. Лапшин, В. С. Лысюк,
В. Б. Медель, В. Б. Мещеряков, В. А. Нехаев, В. А. Николаев, Л. Н. Никольский,
А. М. Орлова, И. В. Полещук, Ю. Л. Пейч, Г. П. Петров, М. П. Пахомов,
Ю. С. Ромен, Т. А. Тибилов, В. Ф. Ушкалов, В. Д. Хусидов, Г. М. Шахунянц,
В. Ф. Яковлев, Дж. Калкер, Х. Катуока, Ф. Картер, У. Харрис и другие ведущие
специалисты научно-исследовательских учреждений и железнодорожных вузов.
Исследованию напряженно-деформированного состояния элементов вагонов посвящены труды ученых Е. П. Блохина, И. Г. Горячевой, Е. Н. Никольского, В. В. Кобищанова, В. П. Лозбинева, В. Н. Филиппова, Л. А. Шадура,
В. Партона, Д. Броека, К. Хеллана, напряженно - деформированное состояние
колеса грузового вагона исследовали А. В. Бородин, В. Ю. Влазнев, А. И. Козырев, В. Г. Кривоногов.
На основании анализа объективных факторов, влияющих на взаимодействие
колеса грузового вагона и рельсового стыка, установлено, что конструкция современного стыкового соединения имеет существенные недостатки, которые в условиях перехода подвижного состава на колеса повышенной твердости, увеличения
скоростей движения и нагрузки на ось приводят к образованию стыковых дефектов и снижению ресурса колес грузовых вагонов. Следовательно, остается актуальной необходимость поиска технического решения, снижающего ударное воздействие на колесо грузового вагона со стороны рельсового стыка.
Анализ известных математических моделей, позволяющих рассчитывать
величины ударного импульса и силы, показал, что моделирование выполнялось
с учетом геометрической величины стыкового зазора, контактной жесткости,
жесткости пути и поступательной скорости движения грузового вагона. При
этом не учитывалось изменение геометрических параметров рельсового стыка,
связанных с образованием стыковых дефектов (смятие и выкрашивание головок на отдающем и принимающем концах рельсов в стыке) в процессе эксплуатации рельсового пути, не учитывались также длина стыковых накладок и их
механические свойства, влияющие на угол упругого прогиба стыка под нагрузкой. Таким образом, результаты расчета силы ударного взаимодействия колеса
повышенной твердости грузового вагона и рельсового стыка по известным моделям не являются объективными, т. е. не отражают реальную картину напря7
женно-деформированного состояния колеса грузового вагона как объекта исследования в условиях эксплуатации и нуждаются в уточнении.
Второй раздел посвящен математическому моделированию процесса
прохождения колесом грузового вагона рельсового стыка с дефектами.
Для уточненного моделирования процесса прохождения колесом грузового вагона рельсового стыка проанализированы параметры, влияющие на ударное взаимодействие. В результате анализа установлено, что параметрами, существенно увеличивающими ударное воздействие на колесо грузового вагона
со стороны рельсового стыка, являются величина стыкового зазора (lст, м), геометрические параметры дефектов на принимающем (lр2, м) и отдающем (lр1, м)
концах рельсового стыка, угол упругого прогиба рельсового стыка под нагрузкой (Θст3, рад), поступательная скорость движения грузового вагона (v, м/с) и
вертикальная нагрузка на колесо (Р, Н) (рис. 1).
Для определения угла упругого
прогиба стыка от воздействия колеса
грузового вагона Θст3 автором выполнено
численное
моделирование
напряженно-деформированного состояния рельсового стыка, учитывающее
реальную геометрию и механические
свойства материала стыковых накладок. Моделирование выполнено для
двух вариантов стыков, содержащих
металлические четырех- и шестидырные накладки, отличающиеся длиной.
В результате моделирования были Рис. 1. Расчетная схема прохождения
получены значения упругих прогибов колесом грузового вагона рельсового
стыка с дефектами
и углов стыка под нагрузкой.
При установке шестидырных накладок прогибы и углы увеличиваются,
что приводит к возрастанию сил ударного взаимодействия колеса и рельсового
стыка при прочих равных условиях по сравнению со стыком, содержащим четырехдырные накладки.
Следующим этапом математического моделирования было формирование
математической модели с учетом введения параметров стыковых дефектов.
В расчетной схеме кроме указанных выше приняты следующие обозначения: v1 и v2 – скорость колеса на отдающем и принимающем концах рельса, м/с;
8
vВ – вертикальная скорость колеса, возникающая в результате прохождения
рельсового стыка, м/с; Θст1 – угол, обусловленный наличием стыкового зазора,
рад; Θст2 – угол, обусловленный наличием дефектов в рельсовом стыке, рад;
Θст – центральный стыковой угол, вычисляемый как сумма Θст1, Θст2 и Θст3, рад;
ap1 и ap2 – точки касания колеса и рельса на отдающем и принимающем концах
рельсового стыка; r – радиус колеса, м.
Величина разрыва поверхности катания зависит от центрального угла Θст,
образованного точками касания на отдающем (ap1) и на принимающем (ap2)
концах рельсов и центром колеса О.
Математическая модель системы описывается системой дифференциальных уравнений:
 d 2z
d 2η
0
M 21  f(z k )(z1 - z п )  -M 2 ;
 dt
dt

 0 d 2zп
 c 0п z п  f ( z 0k )(z1 - z п )  0,
m
2
dt

(1)
где M – необрессоренная масса тележки грузового вагона, Н; m0 – приведенная
масса пути, участвующая во взаимодействии в виде некоторой сосредоточенной в точке контакта колеса и рельса массы, Н; z1 – вертикальное упругое перемещение центра тяжести колеса и присоединенной к нему необрессоренной
массы M, м; zп – перемещение приведенной массы пути m0, м;
z 0k – вертикальное перемещение колеса по отношению к центру тяжести приведенной массы пути, м; f(z 0k ) – контактная жесткость металла в точке контакта
колеса и рельса, Н/м; η – вертикальное перемещение центра колеса на неровности, м; c 0п – жесткость пути, Н/м.
Решение системы дифференциальных уравнений (1) позволило получить
аналитические конечные выражения для определения мгновенного ударного
импульса (2) и ударной силы (3).
Величина мгновенного ударного импульса с учетом стыкового зазора и
величин стыковых дефектов, кг∙м/с;
l р1 l р2
l

I(v)  mvст1  ст 2  ст3   mv ст 

 ст3  ,
r
r
 r

где v – поступательная скорость движения грузового вагона, м/с.
9
(2)
Величина ударной силы, возникающей в контакте колеса и рельса, Н,
Fуд 
dI(v)
 F(0) ,
dt
(3)
где t – время прохождения стыка колесом, с.
Расчеты, проведенные с использованием уточненной математической модели, позволили оценить влияние стыковых дефектов на величину ударного
импульса и сил, возникающих при прохождении колесом рельсового стыка с
дефектами. Зависимости ударной силы от поступательной скорости для трех
эксплуатационных состояний рельсового стыка представлены на рис. 2.
Расчеты, выполненные по уточненной математической модели для осевой
нагрузки 27 тс, позволяют получить количественную оценку силы ударного
воздействия на колесо грузового вагона и установить, что ударная сила, возникающая при прохождении максимально изношенного рельсового стыка с дефектами, может достигать значения 68 тс. Учет дополнительного воздействия
от стыковых дефектов повышает достоверность расчета силы ударного воздействия на колесо грузового вагона.
Сформирована математическая модель, позволяющая определять амплитудно-частотные характеристики
дополнительного динамического
воздействия колеса
грузового вагона на поверхность катания головки рельса
с учетом колебаний кузова и
упруго диссипативных параметров рессорного подвешивания.
Рис. 2. Зависимость величины ударной
силы воздействия на колесо грузового вагона
от рельсового стыка с дефектами: 1 – новый
рельсовый стык (lст = 20 мм); 2 – среднеизношенный рельсовый стык (lст = 20 мм,
lр1 = 8, lр2 = 15); 2 – максимально изношенный
рельсовый стык (lст = 20 мм, lр1 = 12, lр2 = 20).
Третий раздел посвящен моделированию напряженно - деформированного состояния колеса грузового вагона под воздействием ударной силы, возникающей в процессе прохождения рельсового стыка с дефектами. Моделирование проводилось для трех вариантов толщины обода: 70 мм – толщина у нового
10
колеса; 45 и 24 мм – средняя и минимальная толщина соответственно; предел
прочности σВ колеса повышенной твердости менялся в зависимости от толщины колеса: при 70 мм – 1188 МПа (360 HB); при 45 – 1073 (325); при 24 – 1016
(308). Сила ударного воздействия варьировалось в зависимости от степени износа рельсового стыка.
Моделирование напряженно-деформированного состояния колеса осуществлялось с применением метода конечных элементов для наиболее неблагоприятного эксплуатационного состояния – колесо с минимальной толщиной
обода (24 мм) с выщербиной добраковочного размера, ударная нагрузка – от
максимально изношенного рельсового стыка. В результате моделирования получены значения механических напряжений, превышающих предел текучести
колесной стали. Распределение механических напряжений в колесе представлено на рис. 3. Максимальное эквивалентное механическое напряжение по Мизесу составило 1577 МПа, предел прочности σв и текучести σт – соответственно
1016 и 762 МПа.
Эквивалентное механическое напряжение по Мизесу, МПа
Рис. 3. Распределение механических напряжений в объемной модели колеса
повышенной твердости с толщиной обода 24 мм
Результаты моделирования напряженно-деформированного состояния колеса повышенной твердости приведены в табл. 1.
11
Таблица 1
Результаты расчета максимальных напряжений в ободе колеса
Толщина обода колеса грузового
вагона, мм
70 (новое колесо:
σВ – 1188; σТ – 890 МПа)
45 (среднеизношенное колесо:
σВ – 1073; σТ – 804 МПа.)
24 (минимальный допустимый
размер: σВ – 1016; σТ – 762 МПа.)
Значения максимальных механических напряжений в
ободе колеса повышенной твердости от удара со стороны рельсового стыка с дефектами, МПа
максимально
новый стык
среднеизношенизношенный стык
(ударная сила –
ный стык (удар(ударная сила –
27 тс)
ная сила – 42 тс)
62 тс)
761
890
1328
838
965
1383
894
1020
1577
С целью расчета ресурса колеса грузового вагона предлагается методика, основанная на линейной корректированной гипотезе накопления повреждений. Аналитическое выражение, позволяющее определить наиболее вероятный ресурс колеса в
секундах до образования трещины в максимально нагруженной зоне, имеет вид:
Ti 
 σ 1k

 sσ
m


2π N о

m

1


 σ2
σ 
2

ω
Ф
(

)dω


exp
σ

s 
 2s 2
0
0 σ 
σ

;

dσ


(4)
где N о – базовое число циклов нагружения;  – частота действия случайного
процесса; Ф σ (  ) – функция плотности распределения амплитуд спектра эксплуатационной нагрузки; σ 1k – предел выносливости гладких лабораторных образцов, изготовленных из того же материала; sσ – среднее квадратическое отклонение напряжений; σ – механическое напряжение рассматриваемого уровня.
В качестве спектра распределения амплитуд эксплуатационной нагрузки
принимался нормально логарифмический закон распределения. Методика расчета
ресурса колеса грузового вагона позволяет учитывать механические свойства
материала колеса, перспективное увеличение скоростей движения и нагрузки на
ось грузового вагона.
В четвертом разделе на основании уточненной математической модели
прохождения колесом грузового вагона рельсового стыка с дефектами обосно12
ваны необходимость и возможность снижения ударного воздействия на колесо
грузового вагона путем модернизации рельсового стыка.
Первое направление заключается в создании силы сопротивления упругому прогибу и в уменьшении стыкового зазора. Второе направление состоит
во введении третьего тела в стыковое соединение, перекрывающее стык и таким образом снижающее ударное воздействие на колесо грузового вагона. Третье направление – в установке в накладке дополнительной балки, упругой в
радиальном и подвижной в продольном направлениях, для опоры гребню колеса. В рамках данной работы более подробно исследованы первое и второе
направления модернизации стыкового соединения.
В рамках первого направления разработано техническое решение профильного стыкования рельсов внахлестку (рис. 4). Благодаря использованию
упругой криволинейной накладки (пат. 2318945) или упругой проставки 2, размещенной в пазухе между шейками рельсов и накладкой, в зоне контакта продольных уступов возникают силы трения, которые создают сопротивление
упругому прогибу стыка под нагрузкой.
а
б
Рис. 4. Модернизированный рельсовый стык внахлестку с упругими элементами: а – фронтальный вид с местным вырывом; б – поперечное сечение по
оси стыка, 1 – стыковое соединение внахлестку; 2 – упругий элемент
Методика расчета силы сопротивления упругому прогибу рельсового
стыка позволяет оценить влияние геометрических и механических параметров
новой стыковой накладки на величину этой силы, Н:
Fсопр  1пок
4Wгор
13
Lb
,
(5)
здесь μ1 – коэффициент, учитывающий распределение усилия затяжки болта в
горизонтальном и вертикальном направлениях в стыковом соединении; μпок –
коэффициент трения покоя; Wгор – максимальный момент сопротивления сечения накладки изгибу в горизонтальной плоскости, Па; Lb – расстояние между
осями крайних стыковых болтов (для четырехдырных накладок Lb = 0,642 м, для
шестидырных – 0,902 м);  – допускаемое нормальное напряжение, возника-
ющее в накладке от изгиба в горизонтальной плоскости, Па;.
Снижение ударного воздействия на колесо грузового вагона достигается
путем уменьшения угла упругого прогиба и исключения образования дефектов
выкрашивания и смятия на поверхностях катания головок рельсов. Модернизация существующей конструкции стыкового соединения профильным стыкованием рельсов отражается в уточненной математической модели путем изменения
параметров, т. е. в формуле (2) уменьшаются значения углов Θст3 и Θст2. Разработанная методика расчета рельсового стыка внахлестку позволяет рассчитать силу
сопротивления упругому прогибу стыка в зависимости от силы затяжки стыковых болтов и материала упругой криволинейной накладки (пат. 77874).
В рамках второго направления, основанного на введении третьего тела в
стыковое соединение, разработаны два технических решения: первое предполагает установку в стыковое соединение «Т»-образной вставки (пат. 78807) (рис. 5),
второе техническое решение – размещение балки, площадь и форму сечения которой можно изменять (пат. 76025).
А-А 
а
б
Рис. 5. Схема модернизированного рельсового стыка с «Т»-образной вставкой:
а – фронтальный вид с местным вырывом; б – поперечное сечение по оси
стыка; 1 – «Т»-образная вставка; 2 – упругий элемент
Вариант модернизации с «Т»-образной вставкой разработан с целью ресурсосбережения рельсов, когда возникает необходимость их замены при пре14
вышении геометрических размеров дефектов над максимально допустимыми.
Снижение ударного воздействия на колесо грузового вагона достигается за счет
уменьшения стыкового зазора lст минимум в два раза и уменьшения образования дефектов (сколов, смятий и выкрашиваний) в рельсовом стыке. Предлагаемое техническое решение вносит изменение в параметры стыкового соединения, которые учитываются в математической модели через параметры Θст1 и
Θст3 в формулах (2) и (3). При этом формула расчета силы ударного воздействия
на колесо грузового вагона приобретает вид:
l

mv ст  ст3 
/
 2r
.
Fуд

t
(6)
Каждое техническое решение, предлагаемое для модернизации стыкового
соединения рельсов, снижает силу ударного воздействия на колесо грузового
вагона (табл. 2). Эта сила рассчитана путем введения параметров предложенных технических решений (величин стыковых зазоров и углов упругих прогибов под нагрузкой) в уточненную математическую модель, сформированную во
втором разделе. Полученные значения силы ударного воздействия были использованы при моделировании напряженно-деформированного состояния
колеса при прохождении модернизированных рельсовых стыков. Результаты
моделирования приведены в табл. 3.
Таблица 2
Результаты расчета силы ударного воздействия на колесо грузового вагона
Скорость движения грузового вагона, м/с
15
20
25
30
35
Сила ударного воздействия на колесо грузового вагона
при прохождении модернизированного рельсового стыка, кН
«Т»-образная вставка
рельсовый стык внахлестку
47.56
37.92
59.47
49.73
65.54
52.55
75.54
65.49
85.54
78.43
Значения максимальных напряжений, возникающих в колесе повышенной твердости при прохождении модернизированных стыковых соединений
рельсов, не превышают предела текучести колесной стали.
15
Таблица 3
Максимальные механические напряжения в ободе колеса повышенной
твердости при различных уровнях модернизации рельсового стыка, МПа
Толщина обода, мм
70 (новое колесо:
σВ – 1188; σТ – 890 МПа.)
45 (среднеизношенное колесо:
σВ – 1073; σТ – 804 МПа.)
24 (минимально допустимый
размер: σВ – 1016; σТ – 762 МПа.)
Техническое решение модернизации рельсового стыка
«Т»-образная вставка
рельсовый стык внахлестку
662
630
693
657
705
672
Пятый раздел посвящен технико-экономическому обоснованию повышения ресурса колеса грузового вагона в расчете на одно вагоноремонтное депо.
В результате технико-экономического обоснования внедрения предлагаемых технических решений предполагается ежегодное сокращение затрат на
ремонт колесных пар с заменой элементов до 26 % при среднегодовом объеме
ремонта 300 колесных пар, а также ежегодное сокращение затрат на ремонт
рельсовых стыков в размере 285 768 р. в расчете на одно структурное подразделение вагонного и путевого хозяйств соответственно. Предполагаемый срок
окупаемости инвестиционного проекта – 1 г. 5 мес.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. На основе анализа статистических данных эксплуатации вагонных колес подтверждено значительное влияние эксплуатационных факторов на формирование несовершенства поверхности катания колес и рельсов, угрожающего
безопасности движения поездов и снижающего их ресурс. Кроме того, вследствие выявленных недостатков существующего стыкового соединения рельсов
установлено, что при образовании дефектов (сколов, выщербин, смятий и т. п.)
на поверхности катания головок рельсов в стыке происходит увеличение силы
удара на колесо грузового вагона.
2. Разработана математическая модель ударного воздействия на колесо
грузового вагона со стороны рельсового стыка, учитывающая изменение геометрических параметров стыковых поверхностей рельсов в эксплуатации и
колебаний необрессоренных частей грузового вагона, вызванных импульсным
воздействием со стороны рельсового стыка. Модель позволяет исследовать
влияние силы ударного воздействия на колесо грузового вагона от рельсового
стыка с дефектами в условиях роста осевых нагрузок и скоростей движения
подвижного состава.
16
3. Выполнено моделирование напряженно-деформированного состояния
колеса грузового вагона под воздействием ударной силы со стороны рельсового
стыка. Установлено, что от воздействия ударной силы со стороны среднеизношенного стыка в колесе грузового вагона возникают механические напряжения,
превышающие на 15 – 20 % предел текучести колесной стали марки «Т».
4. Разработанная математическая модель оценки ресурса колеса грузового
вагона, основанная на теории случайных стационарных процессов и корректированной линейной гипотезе суммирования повреждений, позволяет оценивать
и прогнозировать ресурс колеса грузового вагона в зависимости от частоты
действия случайного процесса и спектра эксплуатационной нагрузки. В результате вычислений установлено, что ударное воздействие на колесо грузового
вагона со стороны рельсового стыка с дефектами в условиях роста скоростей
движения и нагрузок на ось снижает ресурс колеса грузового вагона в два раза
по сравнению с назначенным ресурсом колеса.
5. Предложены технические решения, которые обеспечивают снижение
ударного воздействия на колесо грузового вагона путем управления параметрами стыкового соединения рельсов: уменьшением стыкового зазора и угла
упругого прогиба рельсового стыка.
6. Уточнена методика расчета силы ударного воздействия на колесо грузового вагона при прохождении модернизированных рельсовых стыков; в результате модернизации рельсовых стыков происходит снижение ударного воздействие на колесо грузового вагона на 20 – 50 %.
7. Предложена методика расчета модернизированного рельсового стыка
внахлестку, позволяющая осуществить подбор момента затяжки стыковых болтов, геометрических и механических параметров деталей стыкового соединения
с целью обеспечения работоспособности модернизированного рельсового стыка, и выполнено технико-экономическое обоснование повышение ресурса колеса грузового вагона.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
1. Б о р о д и н А. В. Влияние дефектов в стыковой неровности пути на
напряженно-деформированное состояние колеса грузового вагона / А. В. Б ор о д и н, В. В. И в а н о в // Транспорт Урала. 2009. № 2. С. 39 – 41.
2. Б о р о д и н А. В. Как уменьшить удары колес в стыках / А. В. Б ор о д и н, В. В. И в а н о в // Путь и путевое хозяйство. 2008. № 6. С. 13.
3. Б о р о д и н А. В. Теоретическое исследование напряженно - деформированного состояния колеса грузового вагона при прохождении рельсового
стыка / А. В. Б о р о д и н, В. В. И в а н о в // Омский научный вестник. 2009. № 2
(82). С. 141 – 143.
17
4. Б о р о д и н А. В. О снижении динамических воздействий на высоконагруженные узлы локомотивов при прохождении стыковых соединений рельсов / А. В. Б о р о д и н , В. В. И в а н о в , Д. В. Т а р у т а // Проблемы механики
современных машин: Материалы. конф. / Восточно-Сибирский гос. техн. ун-т.
Улан-Удэ, 2006. Т. 2. С. 24 – 26.
5. Иванов В. В. Стыковые соединения рельсов и пути их совершенствования / В. В. Иванов // Повышение эффективности работы железнодорожного
транспорта: Сб. науч. ст. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006.
Вып. 6. С. 68 – 74.
6. Иванов В. В. Особенности численного моделирования звеньевого (стыкового) и бесстыкового пути / В. В. Иванов // Наука. Технологии. Инновации: Материалы всерос. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / Новосибирский гос. техн. ун-т. Новосибирск, 2006. Ч. 1. С. 99, 100.
7. И в а н о в В. В. Особенности воздействия импульсной нагрузки на необрессоренные узлы грузового вагона / В. В. И в а н о в // Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук: Межвуз. сб. тр. молодых ученых, аспирантов и студентов / Сибирская гос. автомобильно-дорожная акад.
Омск, 2007. Вып. 4 Ч. 1. С. 103 – 108.
8. Б о р о д и н А. В. Снижение ударного воздействия в стыке рельсового
соединения / А. В. Б о р о д и н , В. В. И в а н о в // Перспективы развития
транспорта в XXI веке: Материалы I науч. межвуз. интернет-конф. / Иркутский
гос. ун-т путей сообщения. Иркутск, 2007. С. 28 – 30.
9. И в а н о в В. В. Влияние дефектов в стыковом соединении рельсов на
развитие ударного импульса в системе «колесо – рельс» / В. В. И в а н о в //
Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук: Межвуз. сб.
тр. молодых ученых, аспирантов и студентов / Сибирская гос. автомобильнодорожная акад. Омск, 2008. Вып. 5. Ч. 1. С. 117 – 120.
10. Б о р о д и н А. В. Развитие ударного импульса в стыковом соединении
/ А. В. Б о р о д и н , В. В. И в а н о в // Trans-mech-art-chem: Труды V междунар.
науч.-практ. конф. / МИИТ. М., 2008. С. 84, 85.
11. И в а н о в В. В. Прочность колеса при прохождении стыковых соединений рельсов / В. В. И в а н о в // Общие и комплексные проблемы технических и
прикладных наук: Межвуз. сб. тр. молодых ученых, аспирантов и студентов / Сибирская гос. автомобильно-дорожная акад. Омск, 2009. Вып. 6. Кн. 3. С. 15 – 17.
12. И в а н о в В. В. Изменение напряженно-деформированного состояния
колеса повышенной твердости в процессе эксплуатации / В. В. И в а н о в // Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности:
Межвуз. сб. тр. 64-й науч.-техн. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов /
Сибирская гос. автомобильно-дорожная акад. Омск, 2010, Кн. 1. С. 363 – 365.
13. Пат. 2318945 Российская Федерация, МПК Е 01 В 11/04. Накладка к
рельсам для соединения их в стыке / Б о р о д и н А. В., И в а н о в В. В.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. –
№ 2006122688/11; заявл. 26.06.2006; опубл. 10.03.2008, Бюл. № 7. – 2 с.: ил.
18
14. Пат. 76025 Российская Федерация, МПК Е 01 В 11/32. Стыковое соединение рельсов / Б о р о д и н А. В., И в а н о в В. В.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. – № 2008114943/22; заявл.
16.04.2008; опубл. 10.09.2008. Бюл. № 25. – 2 с.: ил.
15. Пат. 77874 Российская Федерация, МПК Е01В 11/32. Стыковое соединение рельсов внахлестку / А. В. Б о р о д и н, В. В. И в а н о в, Е. В. Г л у ш к о в а;
заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. –
№ 2008127817/22; заявл. 08.07.2008; опубл. 10.11.2008. Бюл. № 31. – 2 с.: ил.
16. Пат. 78807 Российская Федерация, МПК Е 01 В 11/32. Стыковое соединение рельсов с «Т»-образной вставкой / А. В. Б о р о д и н , В. В. И в а н о в ;
заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. –
№ 2008120943/22; заявл. 26.05.2008; опубл. 10.12.2008. Бюл. № 34. – 2 с.: ил.
______________________________________
Типография ОмГУПСа. 2011. Тираж 100 экз. Заказ
644046, г. Омск, пр. Маркса, 35
19
.