Парахненко Инна Леонидовна. Исследование сил взаимодействия в контакте "колесо-рельс" при изменении трибологического состояния поверхности рельсов : Parakhnenko Inna Leonidovna. Investigation of the interaction forces in the wheel-rail contact with a change in the tribological state of the rail surface

Краткое описание

Парахненко Инна Леонидовна. Исследование сил взаимодействия в контакте "колесо-рельс" при изменении трибологического состояния поверхности рельсов;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I»], 2021

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
Уральский государственный университет путей сообщения
(ФГБОУ ВО УрГУПС)

Парахненко Инна Леонидовна
ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В КОНТАКТЕ
«КОЛЕСО-РЕЛЬС» ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ТРИБОЛОГИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ РЕЛЬСОВ
05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование
железных дорог
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель
кандидат технических наук, доцент
АККЕРМАН Сергей Г еннадьевич
Екатеринбург - 2021
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 5
1 Обзор исследований и публикаций в системе «колесо-рельс». Трение и износ в контакте 13
1.1 Взаимодействие подвижного состава и железнодорожного пути 13
1.2 Взаимодействие пути и подвижного состава в кривых участках 17
1.3 Трение и износ контакта «колесо-рельс» 22
1.4 Снижение коэффициента трения в зоне контакта через лубрикацию колес и
рельсов 27
1.4.1 Средства лубрикации колес подвижного состава и рельсов 31
1.4.2 Смазочные материалы 33
1.4.3 Средства измерения коэффициентов трения на поверхностях рельсовых
нитей 35
1.5 Основные выводы по главе 1 и постановка задачи исследований 38
2. Факторы, определяющие боковой износ рельсов, вызванный силами
взаимодествия колеса и рельса 41
2.1 Систематизация факторов, вызывающих боковой износ рельсов 46
2.1.1 Влияние состояния пути в плане и скорости движения поездов 49
2.1.2 Влияние радиуса на интенсивность бокового износа 51
2.1.3 Влияние ширины колеи на износ 53
2.1.4 Влияние возвышения наружной рельсовой нити в кривых на величины
бокового износа 57
2.2 Экспериментальное измерение коэффициентов трения на участке
Свердловской железной дороги 60
2.3 Взаимосвязь коэффициента трения с коэффициентом сцепления 70
2.4 Выводы по главе 2 72
3. Теоретические исследования влияния триботехнического состояния
контактирующих поверхностей на силы, возникающие при движении грузового состава в кривых участках железнодорожного пути 75
3.1 Программный комплекс «Универсальный механизм», способ моделирования динамического взаимодействия подвижного состава и пути ... 77
3.2 Создание расчетной модели и выбор исследуемого участка с вариантностью
параметров плана и профиля, назначение вариантов трибологического состояния поверхности рельсов 77
3.3 Верификация программного комплекса, разработка последовательности
многовариантного моделирования и оценка влияния режима ведения состава на силы, возникающие в контакте 79
3.3 Определение функциональных зависимостей продольных и боковых сил
при вариантах трибологического состояния поверхностей рельсовых нитей, параметров трибопары, железнодорожного пути и движения 85
3.3.1 Анализ влияния трибологического состояния рельсовых нитей на
продольные и боковые силы в контакте при новых профилях пары «колесо-рельс» 88
3.3.2 Анализ влияния трибологического состояния рельсовых нитей на
продольные и боковые силы при среднесетевых профилях трибопары «колесо-рельс» 93
3.3.3 Анализ влияния тяжеловесного движения и трибологического состояния
поверхностей рельсовых нитей на силы в контакте «колесо -рельс» 95
3.3.4 Исследование влияния трибологического состояния поверхности
катания рельсов на колебания экипажа при установившемся движении в кривой 97
3.4 Определение варианта трибологического состояния поверхности катания
рельсовых нитей, снижающего продольные и боковые силы при варьирующихся параметрах кривых участков железнодорожного пути 104
3.5 Выводы по главе 3 116
4. Оценка влияния принимаемых трибологических решений на безопасность движения и технико-экономическое обоснование 118
4.1 Расчет коэффициента устойчивости колеса на рельсе, при вариантах
трибологического состояния поверхности катания рельсовых нитей 118
4.2 Расчет длины тормозного пути грузового состава при лубрикации
поверхностей катания рельсовых нитей 121
4.3 Технико - экономическое обоснование выбора варианта
трибологического состоянием поверхности рельсовых нитей 123
4.3.1 Расчет сокращения расходов на тягу поездов от применения
рассматриваемых вариантов лубрикации 124
4.3.2 Сокращение расходов на текущее содержание пути при лубрикации, на
примере участка Свердловской железной дороги 127
4.4 Способы и материалы лубрикации поверхностей катания рельсовых нитей 132
4.5 Выводы по главе 4 135
Заключение 137
Список литературы 140
ПРИЛОЖЕНИЕ А 156
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 158
ПРИЛОЖЕНИЕ В 164
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 174
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 180
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 188

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В соответствии с задачами, поставленными в диссертационном исследовании получены результаты и сделаны выводы:
1. Выполнены экспериментальные измерения коэффициентов трения на боковой поверхности наружного рельса при различном трибологическом состоянии колеи, произведен замер на поверхностях катания обеих нитей. Получены значения коэффициентов трения при сухом состоянии рельсовых нитей - 0,4 и с нанесенным смазочным материалом - 0,25.
2. Приняты варианты трибологического состояния рельсовых нитей с учетом полученных значений коэффициентов трения.
3. Оценено влияние режима ведения грузового поезда на силы контактного взаимодействия. Установлено, что действие силы тяги влияет на изменение продольных сил в среднем на 6%. Разница значений боковых сил составляет в среднем не более 7%.
4. Получены значения продольных, боковых и вертикальных сил, возникающих при движении грузового состава в кривых участках, с реальной макрогеометрией железнодорожного пути и существующими скоростями.
5. Определены функциональные зависимости сил взаимодействия между колесом и рельсом в зависимости от трибологического состояния поверхностей рельсов, скорости движения грузового состава и радиуса кривых при новом и среднесетевом профиле трибопары. Полученные при теоретическом исследовании результаты, подтверждены сравнением с экспериментальными данными. Сходимость результатов в пределах 15%, говорит об адекватности используемого математического аппарата.
- продольные силы, возникающие при движении грузового состава по кривым участкам железнодорожного пути, при нанесении «третьего тела» на поверхность катания обеих рельсовых нитей снижаются в 1,49 раза при скорости V=40 км/ч и в 2,21 раза при V=80 км/ч в кривой R=380 м. В пологих кривых сила снижается до 1,5 раза. Износ профилей трибопары ведет к увеличению продольных сил при всех рассматриваемых радиусах до 3,3 раз. Применение лубрикации на поверхности внутренней нити снижает силы в среднем на 11%, на наружном рельсе до 17%.
- боковое воздействие колесной пары на путь, при неизношенном состоянии трибопары меньше в 1,37-1,47 раза при уменьшении коэффициента трения на поверхности внутреннего рельса в кривых малого радиуса. Применение лубрикации поверхности катания рельсовых нитей для снижения боковых сил в кривых R>700 м не целесообразно. Изменение профилей контактирующих поверхностей снижает боковое воздействие от 50,9 до 64,3%.
6. Установлено влияние коэффициента трения на продольные и поперечные колебания экипажа. Применение лубрикации на поверхности катания внутренней рельсовой нити увеличивает длину продольной волны до 30%, поперечной до 22%, что способствует повышению стабильности железнодорожного пути, уменьшению волнообразного и бокового износа рельсовой колеи.
7. Разработана методика выбора вариантов лубрикации поверхностей рельсов в зависимости от параметров кривых по графикам-зависимостям. Определены величины возвышения наружной рельсовой нити, обеспечивающие минимальное силовое взаимодействия. Предложен алгоритм работы с графиками.
8. Для обоснования возможности применения лубрикации на поверхностях катания рельсов проведен расчёт основных критериев безопасности и бесперебойности движения - устойчивости колеса на рельсе и длины тормозного пути. Смазывание поверхности внутренней нити снижает возможность «вползания» до 1,87 раз в кривых малого радиуса. В пологих кривых при вариантах нанесения смазки, устойчивость колеса на рельсе увеличивается в 1,81 раза. Лубрикация увеличивает длину тормозного пути на подъемах в среднем на 23%.
9. Рассчитан экономический эффект от снижения коэффициента трения. Снижение топливно-энергетических затрат на тягу поездов составит от 1,33 до 1,29 раза в расчете на 1 км криволинейного участка, в зависимости от скорости движения при лубрикации обеих нитей и 1,02 - 1,04 при смазывании внутренней нити. Экономия на замену рельсов по достижению предельного износа - 99420 руб/км в год при смазывании внутреннего рельса и 88490 руб/км в год при уменьшении коэффициента трения на обеих рельсовых нитях.
10. Рекомендован к применению вариант трибологического состояния рельсовых нитей, снижающий продольные и боковые силы - лубрикация поверхности катания внутренней рельсовой нити. Рекомендуется применение данного способа на подъемах в кривых радиусом до 1200 м, при тяжеловесном движении и на прямых участках железнодорожного пути.
Рассмотрены способы нанесения материала на поверхность рельса, оборудованием, применяемым на передвижных средствах лубрикации и разработанные смазочные материалы, обеспечивающие коэффициент трения 0,2 - 0,25