Введение к работе
Актуальность работы. При прохождении подвижного состава по рельсовой колее на контактирующих с колесами поверхностях рельсов возникают усталостные и износные повреждения. В прямых участках пути и в пологих кривых эти повреждения обусловлены преимущественно вертикальной нагрузкой на рельсы. В кривых малого радиуса большое влияние на развитие повреждений оказывают горизонтальные силы взаимодействия колес с рельсами. Эти силы в точках контакта с рельсами поверхностей катания колес нарушают целостность рабочей поверхности головок рельсов за счет локального изгиба и сдвига волокон поверхностного слоя. В местах соприкосновения с рельсами гребней колес горизонтальные силы вызывают боковой износ головок рельсов за счет проскальзывания гребней по их поверхности. Переменное боковое воздействие колес на рельсы приводит к горизонтальным изгибным деформациям рельсовых нитей, вызывая накопление в них дополнительных усталостных повреждений. Как следствие этого, в кривых малого радиуса снижается надежность работы железнодорожного пути, значительно сокращается срок службы рельсов. За последние годы отрицательные тенденции в работе железнодорожного пути в кривых малого радиуса усилились в связи с внедрением новых прогрессивных технологий поездной работы, связанных, прежде всего с увеличением массы и скорости железнодорожных составов.
В стратегической программе Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (на 2002 – 2010 гг.) по обеспечению устойчивости взаимодействия в системе «колесо-рельс» подчеркивается, что одним из наиболее действенных средств управления надежностью работы железнодорожного пути и подвижного состава является управление нормами их устройства и содержания. В качестве первоочередной задачи в программе намечено создание более совершенных методик для отработки вопросов влияния норм устройства и содержания пути и ходовых частей подвижного состава на силы их взаимодействия.
Систематического исследования этой проблемы ранее не производилось.
Целью настоящей работы является исследование динамических условий взаимодействия с рельсами колес вагонной тележки с различными отклонениями контура рамы в плане от номинальной прямоугольной формы при прохождении кривых малого радиуса.
Для достижения цели были выполнены следующие задачи:
- проведен анализ существующих методов динамического исследования движения тележек грузовых вагонов в кривых с целью определения сил взаимодействия колес с рельсами;
- проведен анализ известных способов определения поперечных деформаций рельсовых нитей;
- разработаны математические модели определения сил взаимодействия с рельсами колес вагонных тележек при различных конструктивных формах контура рамы в плане;
- разработана математическая модель определения боковых изгибных деформаций рельсовых нитей между колесами тележки;
- определены факторы, в наибольшей степени оказывающие влияние на интенсивность накопления усталостных и износных повреждений рельсов, намечены пути снижения этой интенсивности.
Методика исследования. В работе использовались теоретические, экспериментальные и статистические методы. В теоретической части работы применялись методы аналитической механики, используемые для описания движения сложных механических систем; численные методы решения нелинейных уравнений; методы интегрирования неоднородных дифференциальных уравнений. Экспериментальные исследования проводились с использованием электротензометрических методов и ПЭВМ, анализ и обработка результатов эксперимента выполнялись методами математической статистики в программной среде Microsoft Excel.
Научная новизна работы:
- разработаны новые математические модели вписывания в кривые малого радиуса вагонных тележек с прямоугольной, трапециидальной и искаженной параллелограмной формами контура рамы, позволившие в полной мере проанализировать влияние на условия взаимодействия с рельсами колес тележки различных отклонений контура рамы в плане от прямоугольной формы;
- установлено, что поперечные горизонтальные силы взаимодействия колес с рельсами растут с увеличением отклонений контура рамы вагонной тележки от ее номинальной прямоугольной формы;
- получены расчетные зависимости для определения боковых изгибных деформаций рельсовой нити между колесами вагонной тележки, позволившие выяснить условия возникновения знакопеременных изгибных деформаций рельсовой нити;
- разработана схема экспериментальной установки для одновременной фиксации боковых деформаций рельсовых нитей под всеми колесами вагонной тележки при ее прохождении выбранного участка колеи в поездных условиях.
Практическая ценность работы:
- исследованиями подтверждена возможность снижения интенсивности накопления усталостных и износных повреждений рельсов в кривых малого радиуса за счет реализации мероприятий по уменьшению в эксплуатационных условиях отклонений контура рамы вагонной тележки в плане от ее номинальной прямоугольной формы;
- установлено, что при движении вагонной тележки в кривой малого радиуса боковое отжатие головки рельса под каждым колесом остается постоянным, а геометрическая картина изгиба рельсовой нити смещается вдоль рельса со скоростью тележки; форма бокового изгиба рельсовой нити под тележкой может иметь как форму полуволны, так и полной волны.
На защиту выносятся:
- новые математические модели вписывания в кривые малого радиуса вагонных тележек с различной конструктивной формой контура рамы в плане;
- математическая модель определения боковых изгибных деформаций рельсовой нити между колесами вагонной тележки;
- результаты экспериментальных исследований боковых отжатий рельсовых нитей в кривых малого радиуса;
- рекомендации по снижению интенсивности накопления износных и усталостных повреждений рельсовых нитей в кривых малого радиуса.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались на научно-практических конференциях «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, ДВГУПС, 2003г., 2005, 2006гг.), «Современные технологии – железнодорожному транспорту и промышленности» (Хабаровск, ДВГУПС 2003г.), на VIII краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов (Хабаровск 2006 г.), на заседаниях кафедры «Теоретическая механика» ДВГУПС (Хабаровск 2005, 2006 гг.), кафедры «Железнодорожный путь, основания и фундаменты» ДВГУПС (Хабаровск, 2006 г), кафедры «Путь и путевое хозяйство» ИрГУПС (Иркутск, 2006 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, приложения, списка литературы из 103 наименований. Содержит 115 страниц машинописного текста, включая 17 таблиц и 44 рисунка.
