uzluga.ru
добавить свой файл
ОПРЕДЕЛЕНИЕ БОКОВОГО УСИЛИЯ ПРИЖАТОГО КОЛЕСА НА РЕЛЬС ПРИ ДВИЖЕНИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО СОСТАВА С ПОМОЩЬЮ МАТЕРИАЛОВ ВИДЕОСЪЕМКИ

Ватонин А.А., Аккерман С.Г., Голубев О.В.

(Уральский Государственный университет путей сообщения,

г. Екатеринбург)


В настоящей статье изложены актуальные проблемы взаимодействия колеса и рельса. Рассмотрено влияние бокового усилия от колеса к рельсу на безопасность движения подвижного состава, образование различных дефектов и на боковой износ рельсов. Представлен совершенно новый способ определения бокового усилия колеса на рельс с помощью материалов видеосъемки.


Накатывание гребня колеса на головку рельса приводит к провалу другого колеса колесной пары внутрь колеи и неизбежному сходу с рельсов многих ваго­нов. Если колесная пара, движущаяся вдоль пути под действием продольной силы тяги, в каком-то месте изменяет траекторию движения и направляется поперек пути, то необходимо исследовать: силу заставившую изменить траекторию дви­жения на этом участке пути и причину ее возникновения.

Передние колеса тележек вагонов при движении по кривым, а нередко и на прямых участках пути, набегают на боковые грани рельсов. Такое поведение колес объясняется понятием угла набегания колеса на рельс. Чем больше этот угол, тем больше величина поперечной силы и тем вероятнее накатывание гребня колеса на головку рельса при нарушении режима ведения поезда, попадании гребня на препятствие (стык) и др. Величину бокового усилия и причину его возникновения возможно определить с помощью мониторинга пути, основанного на видеонаблюдении.

Если поперечная боковая сила давления гребня колеса на головку рельса велика, а вертикальная динамическая сила, действующая от колеса на головку рельса, мала (например, вследствие разгрузки колеса при колебаниях вагона), то гребень начнет подниматься по рабочей грани головки рельса и окажется на его поверхно­сти катания.

Накатывание колеса на головку рельса не является мгновенным процессом и происходит при особом случае распределения вертикальных и горизонтальных нагрузок. Зачастую это происходит в течение некоторого времени. Боковое усилие может проявить себя как причина появления усталостных трещин в местах контакта гребня колеса и боковой поверхности головки рельса, а так же как усилие, способствующее повышенному износу колеса и рельса, а также вызывающее поперечное смещение оси пути.

Таким образом, накатывание колеса на головку рельса (сход колеса с рель­са) зависит от величин сил взаимодействия колеса и рельса и геометрии колеса, а точнее – его гребня. Сопутствующими факторами, влияющими на величину бокового усилия являются:

  1. углы наклона рабочей грани головки рельса и гребня колеса (степень и форма их износа);

  2. коэффициент трения взаимодействующих поверхностей (с лубрикацией или без);

  3. выкрашивание металла на боковой рабочей выкружке головки (дефект 11.1 или 11.2);

  4. вертикальные и горизонтальные неровности рельса;

  5. углы в плане до 2° – 3°.

Поскольку вероятность накатывания колеса на головку рельса зависит от отношения сил Pдин/Yf (рис. 1), то, естественно, чем меньше нагрузка на колесо, тем вероятнее сход такого вагона. Анализ сходов за последние несколько лет показал, что сходы по причине вкатывания колеса на рельс чаще были у порожних ваго­нов в кривых участках пути, усугубленных отступлениями в плане различных степеней.

Практика показывает, что эффективная борьба с повышенным боковым износом рельсов в кривых участках железнодорожного пути возможна только при качествен­ном изучении явления, объяснении его причин. Анализ теоретических разработок отечественных и зарубежных ученых по вопросам увеличения срока службы рельсов, снижение бокового износа и появления контактно-усталостных трещин против поперечной горизонтальной составляющей силового воздей­ствия подвижного состава в кривых и практического состояния вопроса, показы­вает, что не все аспекты стабильного положения пути в кривых исследованы. Отсутствие качественной и количественной картины реального взаимодействия колеса и рельса в кривых участках, не позволяет в полной мере разрабо­тать мероприятия, исключающее появление поперечного бокового усилия от колеса на рельс, способствующего набеганию гребня колеса на головку рельса.

Рис. 1 - Способ определения бокового усилия прижатого колеса на рельс при движении железнодорожного состава с помощью материалов видеосъемки


Для выявления величины бокового усилия существует способ определения бокового усилия прижатого колеса на рельс при движении железнодорожного состава, осуществляемый следующим способом (рис. 1): две видеокамеры 6 с источниками света устанавливают на переднюю тележку 5 над первой колесной парой по ходу движения, так как она первой воспринимает возникающее боковое усилие, фокусируют видеокамеры на зоны контакта гребней колес 1 с головками обеих рельсовых нитей 2, подключают провода электропитания к видеокамерам 6 с источниками света. Съемку начинают одновременно с началом движения подвижного состава, при этом видеокамера фиксирует изменение зазора ∆l между гребнем колеса 1 и головкой рельса 2, фиксируют момент прижатия одного из гребней колес 1 к головкам рельсов 2. Видеоизображение записывается на цифровой видеорегистратор (на схеме не представлен), имеющий большой объем записываемой информации, достаточный для фиксирования процесса взаимодействия колеса с рельсом на выбранном определенном участке железнодорожного пути. После завершения съемки цифровое видеоизображение обрабатывают с помощью компьютерной программы для автоматического расчета зазора между гребнем колеса 1 и головкой рельса 2, выявляют момент начала действия бокового усилия. Полученный с каждой видеокамеры видеоматериал разбивают на кадры, которые нумеруют с момента начала видеосъемки, переводят изображение на каждом кадре из полноцветного в черно – белое, при этом черным цветом кодируют зазор между гребнем колеса и головкой рельса, а белым цветом – колесо и рельс подсчитывают количество пикселей на каждом кадре, зафиксировавшим зону контакта гребня колеса с головкой рельса, переводят пиксели в миллиметры, составляют по каждой видеокамере таблицы: номер кадра – величина зазора в миллиметрах, по которым определяют момент начала действия бокового усилия, его максимальное значение и момент прекращения действия бокового усилия. Усилие рассчитывают, используя осевую нагрузку железнодорожного вагона и частоту изменения зазора.

Исходя из вышеизложенного, основная цель заключается в экспериментальном определении бокового усилия гребня колеса на боковую рабочую поверхность головки рельса, разработке мероприятий по повышению безопасности движения, а также разработке мероприятий по повышению срока службы рельсов, особенно в кривых участках пути. Для достижения поставленной це­ли необходимо решить следующие задачи:

  1. выявить общие закономерности развития остаточных напряжений в рельсах на кривых участках железнодорожного пути под поездной нагрузкой;

  2. разработать мероприятия по предупреждению возникновения бокового усилия от колеса на рельс;

  3. разработать методику предупреждения появления сходоопасных мест, а именно по причинам излома рельса от сверхнормативного износа и от появления усталостных трещин;

  4. экспериментально подтвердить теоретические исследования и при адекватных результатах внедрить их на производство.

При организации мониторинга пути с помощью видеонаблюдения можно достаточно точно выделить места зарождения и развитие трещин в рельсе, места, где удар колеса о рельс проявляется наиболее часто и с высоким боковым усилием, что вызывает контактную усталость при качении.

В настоящее время экспериментально подтверждены теоретические исследования по вопросу определения бокового усилия прижатого колеса на рельс с помощью материалов видеосъемки. Рассмотрено влияние бокового усилия от колеса к рельсу на безопасность движения подвижного состава, образование различных дефектов и на боковой износ рельсов. Для предупреждения появления сходоопасных мест, под влиянием бокового усилия, необходим регулярный мониторинг пути. В свою очередь мониторинг объяснит причины возникновения неисправностей в кривых участках пути и даст предпосылки к их устранению.


Библиографическая ссылка

1. Черкашин Ю. М. Использование результатов фундаментальных и прикладных исследований проблем взаимодействия подвижного состава и пути при решении задачи предотвращения сходов колеса и рельса. Сборник докладов научно-практической конференции «Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути», Щербинка, Россия, 2003.

2. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса / У. Харрис, С. Захаров, Д. Ландгрен, Х. Турне, В. Эберсон // Перевод с англ. М.: Интекст, 2002. 416 с.

3. Шур Е. А. К вопросу об оптимальном соотношении твердости рельсов и колес. Сборник докладов научно-практической конференции «Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути», Щербинка, Россия, 2003.

4. Моделирование процессов контактирования, изнашивания и накопления повреждений в сопряжении колесо — рельс / В. М. Богданов, А. П. Горячев, И. Г. Горячева, М. Н. Добычин, С. М. Захаров, В. Г. Кривоногов, И. А. Солдатенков//Трение и износ, 1996, № 1.

5. «Евразия Вести VI 2004 г.» www.eav.ru


6. «ЖДМ» 2001.T. Judge. Railway Track & Structures, 2000, № 2.