V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Известно, что при входе вагонов в кривую пути, сопровождающимся извилистым движением тележек, а, следовательно, и колёсных пар, динамические нагрузки передающиеся от гребней колёс на рельсы весьма значительны, что способствует возникновению существенных по величине сил трения, которые резко снижают долговечность гребней колёс. Такие износы гребней в дальнейшем требуют дополнительного финансирования на преждевременные ремонты ходовых частей вагонов и замены изношенных рельс. Практика знает не мало таких примеров. Так, например, на Забайкальской дороге в 1985 году в среднем локомотивы вставали на обточку бандажей после пробега 35-40 тыс. км. Для увеличения пробега было предложено, во-первых, эксплуатировать колёсные пары с толщиной гребня до 23мм и, во-вторых, применить на локомотивах гребнесмазыватели. Однако первое предложение не решает проблемы износа гребней, так как при повышении скоростей движения возникает опасность скола их. Во втором же случае вот уже более 15 лет идут дискуссии об использовании устройств, обеспечивающих подачу как жидкой, так и пластичной смазки в зону трения гребня и головки рельс, а практического применения на сегодняшний день они так и не нашли. Анализ финансовой деятельности вагонного депо ст. Елец ЮВЖД, проведённый нами в 2006 году показал, что износ гребней колёс грузовых вагонов, эксплуатирующихся на Елецком отделении в качестве вертушек уже после пробега 180-200тыс.км не обеспечивает нормативную величину, которая по рекомендациям МПС составляет 300 тыс. км пробега. Во многих странах мира вопросами смазки гребней колёс, выбору сорта смазки и разработки современных средств их нанесения уделяется большое внимание. Так, например, железные дороги Германии теряют значительные убытки от износа рельсов и гребней колёс. Ежегодно проводится замена около 20% или 100 тыс. тонн рельсов и около 60% затрат расходуется на обточку бандажей и восстановление их профиля, связанное с износом гребней колёс. Так же как и в предыдущем случае эксплуатационники пришли к выводу, что для снижения производственных затрат и потерь от износа рельс и бандажей колёс большое значение имеет применение смазки. Следует отметить, что не каждая смазка может обеспечить устранение вышеуказанных недостатков и поэтому она должна отвечать следующим требованиям: смазка должна обладать средней вязкостью, иметь высокую прилипаемость к влажным рельсам и не эмульсироваться с водой. Смазка должна поступать только на боковую поверхность головки рельс, смазочные устройства должны быть простыми по устройству и обеспечивать подачу смазки в автоматическом режиме только при проходе подвижного состава в кривой пути, смазка может подаваться на гребни колёса и стационарными устройствами расположенными как на перегонах так и станционных путях.

При оценке износа гребней колёсных пар и головок рельс помимо учёта значения бокового усилия в практике учитывают оптимальный профиль бандажей колёс, а также угол набегания гребня на головку рельс. Результаты проведённых исследований показали, что использование в эксплуатации обточенных по профилю бандажей способствует более интенсивному износу гребней и рельс. Отсюда следует, что на подвижном составе необходимо так изменять профиль бандажа, чтобы самого начала его работы мог иметь место одиночный контакт, пятно которого является общим, как для круга катания так и для гребня. Анализ вышеизложенного показывает, что всё таки одним из важных направлений в части снижения износа гребней колёс локомотивов и вагонов является их смазка, причём подача её в зону трения должна происходить при помощи устройств, работающих в автоматическом режиме и исключая попадание её на поверхности катания колёс и захламление шпальной клетки и её балласта.

При проведении HИP и HИPC по данному направлению в ЕГУ им. И.А. Бунина на кафедре прикладной механики и инженерной графики были изучены многочисленные библиографические, а также отечественные и зарубежные патентные источники, на основании которых были разработаны на уровне изобретений перспективные технические решения, направленные на подачу жидкой или пластичной смазки на гребни колёс локомотивов в момент движения их в кривых участках пути. Несмотря на свою эффективность использования, все они, как показал анализ, обладают существенными недостатками, заключающимся в том, что их можно использовать в основном только лишь на локомотивах, где их периодически можно заправлять смазкой в оборотных депо и депо приписки, производить необходимые осмотры с устранением выявленных дефектов т. д.

В тоже время при подаче смазки на гребни колёс и переноса её последними в зону трения неизбежно часть её будет попадать на конструктивные элементы железнодорожного пути, что в дальнейшем по мере накопления её, является источником их захламления. Очистка элементов пути является трудоёмкой операцией и в настоящее время не подлежит механизации. Устанавливать же такие устройства на вагонах и особенно грузовых, количество которых весьма значительно, экономически нецелесообразно и поэтому для этого вида подвижного состава необходимо иметь видимо другие устройства использующие, например, твёрдые смазочные материалы (ТСМ).

Учитывая вышеизложенное, нами на уровне изобретения (RU2344956) разработана перспективная конструкция гребне смазывающего устройства применительно к грузовым магистральным грузовым вагонам и грузовым вагонам промышленного транспорта использующее твёрдые смазочные материалы.

Рис.1

На рис.1 показана часть грузового вагона вид сбоку, и так же часть его в разрезе поперечной плоскостью АА.

Грузовой вагон состоит из кузова 1 установленного на надрессорных балках 2, которые с помощью рессорных комплектов 3 расположены в проёмах 4 боковин 5 тележек. В боковинах 5 размещены буксы 6 с колёсными парами, состоящими из колёс 7 снабжённых гребнями 8. На боковинах 5 жёстко закреплены пневмоцилиндры 9, штоки 10 которых, снабжены башмаками 11 содержащими твёрдый смазочный материал (ТСМ). Пневмоцилиндры 9 с помощью трубопроводов 12 связаны с пневмо распределительным золотниковым устройством 13, которое жёстко закреплено на надрессорной балке 2, а его золотник 14 снабжён рычагом 15 расположенным в вилке 16 закреплённой на днище кузова 17 рельсового транспортного средства. К пневмо распределительному золотниковому устройству 13 присоединён также трубопровод 18, который соединён с запасным резервуаром 19 пневмотормозной системы рельсового транспортного средства.

Работает рельсовое транспортное средство следующим образом. При входе его в кривую пути тележка совместно с боковинами 5 и колёсными парами получает угловой поворот, например, по стрелке В относительно кузова 1. Такой угловой поворот способствует повороту золотника 14 относительно корпуса пневмораспределительного золотникового устройства 13 за счёт того, что его рычаг 15 расположен в вилке 16 закреплённой на днище кузова 17. Как только произойдёт угловой поворот золотника 14, последний соединит трубопровод 18 с трубопроводами 12 и сжатый воздух из запасного резервуара поступит в пневмоцилиндры 9. Под действием давления воздуха штоки 10 пневмоцилиндров 9 начнут перемещаться по стрелкам С, что обеспечит контакт твёрдого смазочного материала, находящегося в башмаках 11 с гребнями 8, колёс 7 колёсной пары. Нанесённый слой ТСМ на гребни 8 колёс 7 поступит в зону трения их с головками рельс, что и позволит снизить силу трения скольжения возникающую в данной зоне кинематической пары колесо-рельс. После прохода кривой пути и выхода вагона на прямой участок, золотник 14 пневмораспределительного золотникового устройства 13 возвращается в исходное положение, перекрывает трубопровод 18 и соединяет трубопроводы 12 с атмосферой, что обеспечивает движение штоков 10 в направлении обратном стрелкам С под действием пружин сжатия находящихся в пневмоцилиндрах в их подпоршневой полости (конструкция пневмоцилиндров одностороннего действия широко известна практике и, например, на этом принципе устроены тормозные цилиндры рельсовых транспортных средств). Движение штоков 10 в указанном направлении способствует отходу башмаков 11 в этом же направлении от гребней 8 колёс 7 и смазка их прекращается. Далее описанные процессы могут повторяться неоднократно.

Рассмотрим силовое нагружения гребня колеса колёсной пары как в точке контакта его с рельсом, так и при взаимодействии камня 4 (рис.2), когда тележка вагона входит в кривую пути. Считаем, что колесо имеет угловую скорость ω при движении его по рельсу 2 и само колесо жестко закреплено на оси 3. Под действием собственного веса груженного грузового вагона массой m_вк колесу будет приложена нагрузка G, которая вызовет нормальную реакцию N, возникающую в месте контакта колеса 1 с рельсом 2 на пятне контакта площадью S_к. В точке О, контакта колеса 1 с рельсом 2

Рис.2

возникнет сила трения F_тр. При движении колеса в кривой пути создаётся боковое усилие У_р, которое можно в среднем определить как У_р = 0,6G. При преодолении кривой пути к гребню колеса будет примыкать камень 4 под действием усилия P_к, создаваемого давлением воздуха из запасного резервуара пневмотормозной системы вагона, и тогда в точке контакта его с гребнем колеса возникнет адгезионно-деформационное трение F_тр, под действием которого на поверхностьгребня будет наноситься тонкий слой твёрдой смазки, причём последняя поступит в дальнейшем в область точки контакта О гребня колеса и рельса. Выбор твёрдого смазочного материала для устройства, для смазки гребней колёс вагона, конструкция которого описана выше, произведём, например, применительно к 4-х осному цельнометаллическому полувагону, грузоподъемностью 60,0т., тарой 26,5т. Следовательно, нагрузка на ось у этого полувагона G составит G==10,8т. Известно, что при входе полувагона в кривую пути боковое усилие У_р, создаваемое гребнем, колеса на головку рельса, составляет в среднем 60% от вертикальной составляющей G действующей на колесо, т.е. У_р=0,6G =0,6∙10,8 =6,5т. Известно, что в зоне контакта гребня колеса с боковой поверхностью головки рельса и в круге катания его с горизонтальной поверхностью ее возникает контактная площадка, по форме близкая к эллипсу., общей площадью S_к=0,0011м². Следовательно, площадь контакта, приходящаяся на гребень колеса в среднем составляет

S_к = 0,5∙ 0,0011=0,00055м². Определим среднюю величину удельной нагрузки в контактной зоне Р_у===11,8∙10⁶кгс/м². Предположим, что скорость движения полувагона, находящегося в составе грузового поезда, составляет V_в=80км/ч = 22,2 м/с, тогда частота вращения колеса определиться n_к===471,3мин^-1, где d_k диаметр колеса по кругу катания. Определим угловую скорость колеса ω=. Согласно теории трения Ф. Боудена и Д. Тейдора, при оценке несущей способности твёрдых смазочных материалов в тяжело нагруженных кинематических парах [] считаем, что вся боковая нагрузка У_р воспринимается гребнем колеса, а слой ТСМ, поступающий в зону его контакта с боковой головкой рельса, претерпевает пластический сдвиг и в этом случае коэффициент трения можно определить по зависимости f=_сд/Р_у при этом

=К₁∙(P_у)n=2∙(11,8∙10^6)0,3=8,366 МПа,

где:_сд – сопротивление сдвигу твёрдого смазочного материла;

Р_у - удельная нагрузка в контактной зоне гребня колеса к головки рельса,11,8∙10⁶ кгс/м²;

К₁–коэффициент пропорциональности равен 2;

n – показатель степени, 0,3.

Тогда коэффициент трения будет равен: f = ––.

Полученное значение коэффициента трения 0,07 при значении Р_у = 188МПа соответствует твёрдому смазочному материалу; чистый графит при испытании его по методу Бриджмена. Графит является природным материалом, имеет гексагональную кристаллическую решётку, образованную рядом параллельных слоёв (базисных плоскостей), состоящих из атомов углерода с высокой энергией связи при меньшей энергии связи между плоскостями базиса. Обладает высокими антифрикционными свойствами. Его физико-механические свойства следующие – параметры кристаллической решётки, 10^-6 мм – а=1,42; с=3,25; ; плотность 2,1∙10³ кг/м³; модуль упругости 5050МПа; температура окисления 673⁰ К и температура разложения 3773⁰ К.

Для того, чтобы выбранный твердый смазочный материал успешно работал в зоне трения гребень колеса с головкой рельса, его необходимо доставить туда. Для этого к камню 4 необходимо приложить такое усилие Р_п, которое бы заполнило микрорельеф контактной поверхности гребня колеса, если это усилие выбрать значительным по величине, то будет наблюдаться чрезмерный расход ТСМ, если же незначительное, то это будет способствовать износу, как гребня так и головки рельса. Используя рекомендации работы [] определим давление, вызывающие начало деформирования графита по эмпирической зависимости:

Р = 48,

где: ρ – плотность графита.

Принимая конструктивно площадь контакта камня 4 с габаритными размерами с поверхностью гребня колеса, равную S_к = 2,0∙8,0= =16см², определим необходимое значение усилия Р_п, которое должно быть создано сжатым воздухом через регулятор давления , Р_п = Р∙S_к= 0,432∙16 = 7,0кгс.

Важнейшим показателем сопряжения гребня колеса с камнем 4 смазывающего устройства является интенсивность изнашивания ТСМ, которая будет зависеть от вида разрушения поверхности слоёв графита. Для характеристики процесса изнашивания камня обычно используют интегральную линейную интенсивность изнашивания I_h, которая существенно зависит от механических свойств материала колеса и ТСМ, а также вида, деформаций в их поверхностных слоях. В связи с тем, что модуль упругости стали, из чего изготовлено колесо, значительно выше, чем у графита, то, видимо, последний будет более интенсивно изнашиваться. Воспользуемся зависимостью. По определению долговечности ТСМ, выведенную для плоских опор скольжения []:

t=а, где:

h_д – допустимая толщина слоя изношенного слоя графитового камня 1,0мм;

L₁ – путь трения в единицу времени, L₁=πd_kп_к=3,140,9∙471,3=1331,9 м/мин;

Кn – коэффициент использования грузового вагона в движении по кривым участкам пути и для Елецкого отделения ЮВЖД на участке Елец-Лев Толстой, плечом 112км, принят равным 0,45;

I_h - интенсивность изнашивания, которую для нашего примера можно определить по зависимости I_h=,

где: е = ;

V_п – объём изношенного материала , V_п=1,6см³.

Из представленного расчёта видно, что при эксплуатации грузового вагона, например, на участке Елец-Лев Толстой ЮВЖД твёрдой смазки хватит на срок t = 0,82 года.

В дальнейшем, после износа такой смазки, можно восстановить её, удалив изношенный камень устройства на новый, как в условиях вагонного депо, так и силами осмотрщиков вагонов на соответствующих станциях. Следует отметить, что в условиях эксплуатации грузовых вагонов на всех участках сети дорог РФ долговечность ТСМ, используемого в описанном устройстве, будет различна и поэтому в случае использования предложенной конструкции для смазки гребней колёс, необходимо провести укрупненные расчёты, стендовые и эксплутационные испытания его, что в итоге позволит разработать оптимальную конструкцию, удовлетворяющую весь парк грузовых вагонов в нашей стране.

Предложенная разработка рекомендуется специализированным НИИ и профильными СКБ, а так же КБ вагоностроительных заводов для возможного использования её в конструкциях грузовых вагонов. В то же время, результаты исследования переданы руководству Управления ЮВЖД как практические рекомендации по повышению надёжности гребней колёс колёсных пар грузовых вагонов эксплуатирующихся в промышленном транспорте.

Библиография

1. Логинов А. Н., Афанаскин Н. Е. Вагоны-самосвалы. М.: Машиностроение, 1975. – 192 с.

2. Карагельский И. В., Махин Н. М. Узлы трения машин: Справочник. – М.: Машиностроение, 1984. – 280 с. (Основы проектирования машин).

3. Смазочные материалы. Антифрикционные и противоизносные свойства. Методы испытаний: Справочник/Р.М, Матвиевский и др. – М.: Машиностроение 1989. – 224 с.

1. Трение и износ в экстремальных условиях; Справочник / Ю.Н. Дроздов и др. – М.: Машиностроение 1986. - 224с.

Код для цитирования: Скопировать