Нурмамбетов С.М., д.т.н., профессор (КазАТК, Алматы)

Сериккулова А.Т., к.т.н. (КУПС, Алматы)

 

ПРИЧИНА ИЗНОСА РЕЛЬСОВ И КОЛЕС В КРИВЫХ — ПРОДОЛЬНОЕ СКОЛЬЖЕНИЕ ПО РЕЛЬСАМ КОЛЕС ИЗ-ЗА ИХ ЖЕСТКОЙ НАСАДКИ

 

На разных этапах развития железнодорожного транспорта на первый план выступали различные проблемы взаимодействия колеса и рельса, решение которых повышало надёжность функционирования железных дорог. К их числу можно отнести проблемы механической усталости рельсов и контактной усталости колёс и рельсов, повышенной интенсивности их изнашивания, сходов подвижного состава и др. В действительности же существует только одна угроза работоспособности системы колесо –рельс - эксплуатационное повреждение и разрушение колёс и рельсов под действием подвижной нагрузки. Колёса и рельсы, как известно, работают при действии пространственной системы повторно-переменных нагрузок и, естественно, повреждаются и разрушаются. Специалисты разделили этот единый сложнейший процесс на отдельные явления: контактная усталость, изнашивание, механическая усталость и др. Контактная нагрузка вызывала трение и изнашивание, поэтому в настоящее время появилось представление о «комплексном износоусталостном повреждений и разрушении силовых систем». Такой силовой системой является пара колесо – рельс, работающая в условиях контактно – механической и фрикционно–механической усталости. Учитывая эти усталости, рассматривается одно из многочисленных причин износа рельсов и колёс в кривых с продольным скольжением по рельсам обода колеса из-за жёсткой насадки.

 В кривых участках пути наружная рельсовая нить длиннее внутренней. Если бы колеса были цилиндрическими, то из-за жесткой насадки на оси неизбежное продольное их скольжение по рельсам соответствовало бы раз­нице длин наружной и внутренней нитей. Поскольку колеса конические с наклоном обода 1:n, у первой по ходу оси тележки, идущей с прижатым к наружному рельсу гребнем, продольное скольжение одного из колес мень­ше, чем разница длин обеих рельсовых нитей. Когда диаметры колес равны, длина пут и такого скольжения , на протяжении кривой L определяется по формуле

 

,                                              (1)

 

где s — расстояние между местами контакта обода с наружным и внутренним рель­сами;  — зазор между гребнем и боковой гранью головки рельса при сцентрирован­ном положении колесной пары в колее (суммарный зазор 25); р — средний радиус среднего круга катания правого и левого колеса колесной пары; n — коничность (наклон) образующей обода колеса.

Первый член правой части уравнения (1) — это разница длин наруж­ной и внутренней рельсовых нитей, второй — разница развернутых длин кругов катания наружного (с прижатым гребнем) и внутреннего колес на том же протяжении L кривой. Результаты расчета по формуле (1) показаны на рис. 1.

Гребень второй по ходу колесной пары тележки, как правило, не при­жат к головке наружного рельса. Поэтому продольное скольжение обода одного из колес второй оси тележки может даже превышать разницу длин наружной и внутренней рельсовых нитей, если колесная пара смещена к внутреннему рельсу от сцентрированного положения, т.е. если зазор  между гребнем колеса и боковой гранью наружного рельса больше полови­ны суммарного зазора. Гребень ко­леса второй оси тележки прижима­ется к головке наружного рельса только при возникновении в поезде значительных продольных квазиста­тических сил сжатия, т е. при жест­ком торможении (экстренное, реку­перативное, полное служебное или торможение локомотивным тормо­зом на шестой позиции). Из форму­лы (1) видно, что путь продоль­ного скольжения не зависит от угла набегания .

Если R = 300 м, р = 457 мм (новая вагонная колесная пара), L=400 м,  = 8 мм (2 = 16 мм), то , = 2093 - 673 = 1420 мм. Путь  на протяжении кривой L = = 400 м составляет 1420 мм, т.е. почти 1,5 м одно из колес каждой колесной пары скользит по рельсу.

 

 

1 — при новых (конических) колесах (1/n = 1/20);2 — при изношенных (цилиндрических) колесах (1/n=1/)

Рисунок 1. Поле размеров продольного скольжения :

 

Если в кривой возвышение недостаточное, то все колеса будут сколь­зить по внутреннему рельсу. Поскольку гребни к нему не прижаты, от про­дольного скольжения изнашивается только верхняя часть головки рельсов внутренней нити. Если же в кривой возвышение избыточное, то неизбежно продольное скольжение колес по наружной нити. В связи с тем что к этой нити гребни более 50 % колес прижаты, происходит продольное скольжение гребней по боковой грани головки одновременно с круговым скольжением.

На изношенных колесах значение n увеличивается до 200 и даже до бесконечности. Значит, путь продольного скольжения приближается к при­веденным на рисунке 1 максимальным значениям.

Для предупреждения продольного скольжения нужно, чтобы соблюда­лось равенство

 

.                                                (2)

 

При наклоне обода колеса 1/n — 1/20, т.е. при n=20, р = 0,475, s=1,6 м и  = 0,008 м, необходим радиус кривой R = 950 м. При других радиусах неизбежно продольное скольжение.

Сделаем в уравнении (2) следующие замены:

 

; ,                               (3)

 

где  — ширина колеи; с — расстояние от боковой грани головки до ее оси на уров­не измерения ширины колеи;  — расстояние между внутренними гранями колес колесной пары на уровне измерения ширины колеи, b — толщина гребня на уровне измерения ширины колеи.

В результате уравнение (2) примет следующий вид:

 

.                                          (4)

 

Отсюда нетрудно получить уравнения для подсчета требуемых значений n, R, р и ш , при которых не будет продольного скольжения колес.

Результаты расчетов по приведенным формулам показывают, что при жесткой насадке колес на оси исключить продольное скольжение колес по рельсам невозможно. С увеличением ширины колеи при новых колесах (n = 20) продольное скольжение несколько снижается. При изношенных же колесах, когда n ≥ 200 и тем более, когда n = ∞ никакого его снижения нет. Кроме того, при возникновении в поезде продольных сжимающих сил (тор­мозные участки), уширение колеи приводит к росту горизонтальных бо­ковых нагрузок, прижимающих гребень колеса к боковой грани головки рельса.

 

Литература

 

1.     В.С. Лысюк, В.Б. Каменский, Л.В. Башкатова. Надёжность железнодорожного пути. – М.: Транспорт, 2001. 286 с.

2.     М.М. Соколов, А.В. Третьяков, И.Г. Морчиладзе. Контроль динамики железнодорожного подвижного состава. – М.:  ИБС – Холдинг; 2007. 358 с.

3.  Ершков О.П. Опыт применения теории вероятностей к исследованию взаимодействия железнодорожного пути и подвижного состава//Архив ЦНИИ МПС, 1948. - № 11180.

4.  Вериго М.Ф. Вертикальные силы, действующие на путь при прохождении подвижного состава //Тр. ВНИИЖТа. - 1966. Вып. 97.