УДК 629.4.027.001.57

Краткий обзор научных источников по моделированию статической и динамической нагруженности колеса грузового вагона

Беспалько Сергей Валерьевич – доктор технических наук, профессор Российского университета транспорта (МИИТ).

Колокольчикова Любовь Владиславовна – аспирант Российского университета транспорта (МИИТ).

Корниенко Нина Амосовна – кандидат технических наук, доцент Российского университета транспорта (МИИТ).

Аннотация: В статье приводится краткий обзор научной литературы отечественных и зарубежных учёных по теоретическим и экспериментальным исследованиям, связанным с динамикой взаимодействия системы «колесо-рельс», моделированию статической и динамической нагруженности колеса грузового вагона. В рассмотренных научных источниках описаны основные методы исследования динамики вагона, условия безопасного и мягкого хода грузовых и пассажирских вагонов по рельсам в составе поезда с настоящими техническими параметрами, установлены величины динамических сил взаимодействия ходовых частей вагонов и пути, приводятся критерии для определения оптимально возможных характеристик пути и вагона, пригодных в эксплуатации.

Ключевые слова: грузовой вагон, ходовая часть, система «колесо-рельс», внешнее воздействие, статическая и динамическая нагруженность, метод исследования, методика определения усилий между колесом и рельсом, моделирование.

Тема развития и модернизации различных систем железнодорожного транспорта всегда актуальна в России. В настоящее время создание трансконтинентальной высокоскоростной магистрали, которая соединит единым транспортным коридором сети железных дорог Европы и Китая, является одним из приоритетных направлений. Основными показателями эксплуатации современных железных дорог являются максимальная безопасность, комфорт, надёжность и ремонтопригодность.

Принцип движения, используемый в настоящее время, как на сети железных дорог, так и в метрополитене и в работе городского трамвая один. Он основан на хорошо известном физическом явлении – трении качения, характеризующее сцепление колеса с рельсом. К теории качения деформируемого колеса относится работа Левина М. А., Фуфаева Н. А. [17].

На протяжении более ста лет теоретические исследования, связанные с динамикой взаимодействия колеса с рельсом, проводили многие отечественные учёные. Итоги их исследовательской деятельности хорошо известны и содержатся в опубликованных в научных трудах.

Поведению подвижного состава железных дорог в кривых небольшого радиуса и устранению бокового износа рельсов и гребней колёс посвящены работы М. Ф. Вериго, Когана А. Я. [3 – 5].

Особо можно выделить книги по динамике вагона С. В. Вершинского, В. Н. Данилова, В. Д. Хусидова, И. И. Челнокова [2, 6, 7]. В них описаны основные методы исследования динамики вагона, условия безопасного и мягкого хода грузовых и пассажирских вагонов по рельсам в составе поезда с настоящими техническими параметрами, установлены величины динамических сил взаимодействия ходовых частей вагонов и пути, приводятся критерии для определения оптимально возможных характеристик пути и вагона, пригодных в эксплуатации. Эти издания являются настольными пособиями не только для студентов, но и для инженеров в различных регионах России и ближнего зарубежья.

Более шестидесяти лет назад в Днепропетровске зародилась научная школа транспортной механики академика В. А. Лазаряна, которая проводила масштабные теоретические исследования, модельные эксперименты, натурные испытания. Фундаментальные исследования по устойчивости и динамике движения железнодорожных составов продолжили его ученики академик Н. Г. Бондарь, профессор Е. П. Блохин, а затем их соратники [1, 2, 9].

Зарубежные исследователи Жоли, Жуст Жак Калкер, чьи коэффициенты линейной упругости хорошо известны в научном мире, Картер, Креттек, Мюллер, де Патера и многие другие учёные опубликовали работы по изучению проблем динамики подвижного состава и взаимодействию «колесо-рельс» [8, 15, 19, 23].

Использование экспериментальных методов при исследования взаимодействия колеса и рельса объективно, но ограничено. Поэтому повышенное внимание всё больше уделяется разработке расчётных методов исследований, особенно с широким использованием вычислительной техники в применение теоретических методов [13, 21, 25].

Обширные результаты теоретических изысканий доказывают, что динамика подвижного состава тесно связана с процессами, проходящими при взаимодействии колеса с рельсом [12, 22]. Надо отметить, что динамические характеристики подвижного состава оказывают большое влияние на взаимодействие колеса с рельсом, и в тоже время, силы этого взаимодействия обусловливают динамику рельсового экипажа.

В огромном числе научных трудов проблемы динамики подвижного состава разбиваются, как правило, на решаемые порознь две задачи. Одна состоит в моделировании динамических качеств подвижного состава [4, 5, 8]. В ней возмущения, возникающие со стороны пути, описываются гармоническими функциями всевозможных амплитуд и длин [11, 18]. Другая задача заключается в создании адекватной математической модели взаимодействия колеса и рельса [9, 20]. При создании модели стараются учесть различные факторы: механические свойства материалов колеса и рельса; геометрия и фрикционные свойства поверхностей, находящихся в зоне контакте; конструкция кузова вагона и ходовых частей; сбалансированность рессорного подвешивания; характеристики пути; кинематические и динамические особенности движения; тепловые процессы, возникающие при контакте колеса с тормозной колодкой.

Нерегулярности, появляющиеся в системе «колесо-рельс», – одна из основных причин возникновения динамических воздействий на колесо. Научные работы академика Н. Е. Жуковского положили начало исследованию динамики поездов и скольжений колес, жёстко насаженных на ось [10]. 

Процессы, протекающие в зоне контакта колеса и рельса, причины термомеханических и контактно-усталостных повреждений колёс и факторы, от которых они зависят, довольно хорошо изучены, проанализированы и отражены в работах [4, 10, 24]. Основные результаты научной деятельности значительного числа исследователей выявили, что интенсивный износ рельсов происходит в кривых малого радиуса (менее 650 метров, особенно, если радиус меньше 400 метров). Износ поверхностей в кривых малых радиусов представляет собой бороздки, выемки и каверны, различных размеров, глубин и расположений. Таким образом, в зоне контакта наблюдается доминирование процессов абразивного износа и глубинного вырывания (задиров). При пластическом изнашивании колеса происходит наплыв металла из зоны основания гребня на поверхность катания и на вершину гребня с образованием остроконечного наката. 

Для устранения износа предлагаются конструктивные, технологические и эксплуатационные меры. В 80-е годы прошлого века под руководством профессора Панькина Н. А. проводились теоретические исследования по изменению геометрии поверхности катания колёс [14, 20]. Достижения в этой области уменьшают износ колёс на 30-40% по сравнению с колёсами стандартного профиля. Некоторые учёные предлагают увеличить работоспособность вагонных колёс путём совершенствования профиля диска за счёт его спрямления (изменение конструкции ходовых частей), другие приводят анализ эффективности применения профиля катания бандажа ДМЕТИ и результаты испытаний криволинейного профиля бандажей, третьи проводят исследования эффективности применения снижения износа гребней колёс с помощью лубрикаций (смазывания) гребней колёсных пар подвижного состава, четвёртые предлагают снижать износ, ограничивая деформации одной из взаимодействующих поверхностей, изменяя механические свойства контактирующих поверхностей. Ларин Т. В. аргументировал оптимальное соотношение твердости обода колеса и головки рельса [16].

Список литературы

1. Блохин Е. П., Барбас И. Г., Манашкин Л. А. и др. Расчет грузовых вагонов на прочность при ударах. – М.: Транспорт, 1989. – 230 с.
2. Блохин Е. П., Манашкин Л. А. Динамика поезда (нестационарные продольные колебания). – М.: Транспорт, 1982. – 222 с.
3. Вериго М. Ф. Вертикальные силы, действующие на путь при прохождении подвижного состава / Научн. труды ВНИИЖТа. – М.: Трансжелдориздат, 1955. – Вып. № 55. – 228 с.
4. Вериго М. Ф. Взаимодействие пути и подвижного состава в кривых малого радиуса и борьба с боковым износом рельсов и гребней колес. – М., 1997. – 207 с.
5. Вериго М. Ф., Коган А. Я. Взаимодействие пути и подвижного состава / Под ред. Вериго М. Ф. – М.: Транспорт, 1986. – 559 с.
6. Вершинский С. В., Данилов В. Н., Хусидов В. Д. Динамика вагона: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / Под. ред. Вершинского С. В. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1991. – 360 с.
7. Вершинский С. В., Данилов В. Н., Челноков И. И. Динамика вагона: Учебник для студентов вузов ж.-д. транспорта / Под. ред. Вершинского С. В. – М.: Транспорт, 1978. – 352 с.
8. Гарг В. К., Дуккипати Р. В. Динамика подвижного состава. Пер. с англ. / Под ред. Панькина Н. А. – М.: Транспорт, 1988. – 391 с.
9. Данович В. Д., Рейдемейстер А. Г. Определение изменения радиуса круга катания колеса с учетом боковой качки и влияния колесной пары / Техническое содержание и использование подвижного состава. Межвуз. сб. научн. трудов, Днепропетровск. – 1994. – С. 23–27.
10. Жуковский Н. Е. Трение бандажей железнодорожных колес о рельсы. Собр. Соч. Т. 7.: М. –Л., 1950. – С. 426 – 478.
11. Иноземцев В. Г., Тибилов Т. А. Проблема нелинейных колебаний и бифуркаций в системе «колесо-рельс» высокоскоростного транспорта / Фундаментальные и поисковые научно-исследовательские работы в области железнодорожного транспорта 1999 г. Сборник научных трудов. Выпуск 922. – М.: МИИТ, 1999. – С. 91 – 94.
12. Кондрашов В. М. Единые принципы исследования динамики железнодорожных экипажей в теории и эксперименте. – М.: Интекст, 2001. – 190 с.
13. Корольков Е. П. Математическое моделирование поперечного крипа железнодорожных колёс. М.: Мир транспорта № 5, 2018. – С. 6 – 13.
14. Корольков Е. П. Снижение износа колес железнодорожного подвижного состава при конструктивных изменениях ходовых частей: Автореф. дисс. ... докт. техн. наук. – М.: МИИТ, 1997. – 48 с.
15. Koffman I.L. Gummigefederte Lokomotivrader. – DET, 1974, 22, Nr1, Р. 27–30.
16. Ларин Т. В. Износ и пути продления срока службы бандажей железнодорожных колес. – М.: Трансжелдориздат, 1958. – 168 с.
17. Левин М. А., Фуфаев Н. А. Теория качения деформируемого колеса. – М.: Наука, 1989. – 272 с.
18. Мещеряков В. Б., Кузнецов А. В. Теоретическое исследование проблемы динамического взаимодействия колесной пары с рельсовым путём / Фундаментальные и поисковые научно-исследовательские работы в области железнодорожного транспорта 1999 г. Сборник научных трудов. Выпуск 922. – М.: МИИТ, 1999. – С. 136 –143.
19. Muller T. Kraftwirkungen an Zweiachsgen Triebgestall bei Antrieb der Radsatze durch Ge Gelenkwellen // Glasers Ann. – 1961. – 85, № 6 – S. 203–209. 
20. Панькин Н. А. Причины интенсивного износа гребней колес и рельсов и пути его устранения // Железнодорожный транспорт. – 1991. № 11. – С. 57–59.
21. Петров Г. И. Расчеты и анализ результатов моделирования на ЭВМ движения грузовых вагонов при отступлениях в содержании экипажной части и ж. д. пути / ЦНИИТИ МПС, № 2 5747. – М.: МИИТ, 1992. –77 с.
22. Писаренко В. В. Универсальная математическая модель для расчёта износа поверхности гребня колёсной пары при прохождении кривого участка пути. – Екатеринбург: Инновационный транспорт № 4(30), 2018. – С. 35 – 38.
23. Попп К. Моделирование путевой структуры. В кн. Динамика высокоскоростного транспорта / Пер. с англ. А. В. Попова, под ред. Тибилова Т. А. – М.: Транспорт, 1988. – С. 15–31.
24. Раменский А.В. Пути снижения износов колесных пар при движении вагонов в кривых малого радиуса. Автореферат дисс. ... канд. техн. наук: МИИТ, Москва, 1993. – 21 с.
25. Хусидов В. Д., Петров Г. И., Строгова О. И. и др. Математическое и программное обеспечение расчетов динамических качеств грузовых вагонов с различными схемами ходовых частей. М., 1990. – 62 с. – Деп. в ЦНИИТЭИ ТЯЖМАШ, № 5377.