к.т.н. Золкин А.Л., к.т.н. Тычков А.С., к.т.н. Клюканов А.В

Самарский государственный университет путей сообщения, Россия

Анализ износа бандажей колёсных пар электровозов с целью прогнозирования отказов тяговых электродвигателей

Программа обновления локомотивного хозяйства как определяющего элемента инфраструктуры железнодорожного транспорта, занимает важное место в проведении модернизации промышленности и транспорта, объявленной руководством Российской Федерации на ближайшие годы.

За последние годы в дорожные дирекции тяги ОАО «Российские железные дороги» поступают новые и модернизированные локомотивы. Установившаяся тенденция роста объемов перевозок требует эффективного тягового обеспечения, устойчивой надежной работы тягового подвижного состава.

Поставленная задача может быть решена только при безусловном обеспечении безопасности движения поездов, радикальном снижении количества отказов локомотивов, повышения надежности их работы.

Увеличенные объемы перевозок могут быть выполнены, в частности, путем повышения технической скорости, сокращения перегонных времен хода грузовых поездов, что приводит к реализации локомотивом в течение более длительного времени предельных и близких к ним тяговых усилий и сопровождается увеличенным износом бандажей колесных пар локомотивов. Для оценки технического состояния локомотивов и подготовки ремонтных депо дирекций по ремонту локомотивов задача прогнозирования износа бандажей колесных пар локомотивов представляется весьма актуальной.

Одним из решений данной проблемы может стать прогнозирование величины износа бандажей колесных пар электровозов на основе определения зависимости между величиной износа поверхности бандажей h_из и временем экстремальной работы локомотива по сцеплению t_экстр., т.е. h_из (t_экстр). Понятие времени экстремальной работы по сцеплению, предложенное [1], представляет собой длительности работы локомотива с максимальными и близкими к ним тяговыми усилиями. Отношение t_экстр, к общему времени движения локомотива с поездом по участку t _общ, называется коэффициентом экстремальной работы К_экстр = t_экстр /t_общ. Данный коэффициент показывает, какую долю общего времени своей работы локомотив работал с максимальной силой тяги, сопровождаемой увеличенным износом бандажей.

Известно [1], что износ бандажей колесных пар электровозов определяется несколькими факторами, среди которых, согласно энергетическому критерию износа, главенствующую роль играет мощность сил трения в зоне контакта «колесо-рельс». Мощность сил трения, определяется величиной продольного скольжения колеса по поверхности рельса, без которого невозможна реализация тягового усилия: P₁= F_сц(V_ск.x)V_ск.x, где F_сц(V_ск.x) – сила сцепления колеса с рельсом, являющаяся сложной функцией скорости скольжения в продольном направлении V_ск.x.

Изучению характеристики сцепления колеса и рельса посвящены многие научные труды И.П. Исаева, А.Л. Лисицына, В.Н. Лисунова, Л.А. Мугинштейна, Ю.М. Лужнова, Г.В. Самме, А.Л. Голубенко, Д.П. Маркова, А.П. Буйносова и других ученых.

Для сравнения потерь мощности в зоне контакта «колесо-рельс» при реализации электровозом тягового усилия при различных величинах коэффициента сцепления можно обратиться к графической характеристике потерь мощности, приведенной на рис. 1. Линеаризация зависимостей двумя прямыми 0-б и б-а показывает, что величины мощности потерь в точках а и б отличаются в 12 раз, т.е. увеличение силы тяги на 0,2 которое приводит к росту потерь мощности на 1200 %, что сопровождается интенсивным износом бандажей колесных пар электровозов.

Увеличенный износ бандажей имеет место при максимальных и близких к ним тяговых усилиях F_{к экстр} , сопровождаемых предельным и субпредельным рабочим проскальзыванием колесных пар электровоза V_{ск.x.экстр}, что определяется массой поезда , продольным профилем участка, режимной картой ведения поезда. Наибольшая мощность сил трения имеет место при реализации электровозом силы тяги F_к =( 0,75 – 1,0 ) F_{сц .}

Рис. 1 – Графическая характеристика потерь мощности

Время работы локомотива является одним из показателей работы тягового подвижного состава наряду с пробегом, производительностью и удельным расходом электроэнергии. И.П.Исаевым [2] доказано, что для прогнозирования износа бандажей достаточно использование любого и только одного из четырех перечисленных эксплуатационных показателей.

Для определения связи между износом поверхностей бандажа и коэффициентом экстремальной работы необходимо провести тяговые расчеты по всем участкам обращения электровоза с поездами различной массы по установленной методике с учетом необходимых дополнений, которые позволят рассчитать время экстремальной работы локомотива по сцеплению на каждом участке обращения электровоза, в том числе и для поездов повышенной массы.

Система учета работы локомотивов, существующая в настоящее время в локомотивных эксплуатационных депо Дирекции тяги ОАО «РЖД», позволяет определить количество поездок каждого электровоза на всех участках его обращения с поездами различной массы за определенное время. По статистическим данным замеров бандажей, взятым по журналам ТУ-28 локомотивных ремонтных депо, возможно, определить интенсивность нарастания износов и связать эти величины с результатами расчетов коэффициента экстремальной работы, применив соответствующий математический аппарат.

Располагая полученной зависимостью между износом поверхностей бандажа и временем экстремальной работы локомотива, можно с достаточной степенью вероятности прогнозировать интенсивность нарастания износа до его критических величин и рассчитать время обязательной постановки локомотива в депо на обточку бандажей по предельно допустимому износу бандажей колесных пар [3].

Реализация электровозом предельных и близким к ним тяговых усилий с соответствующими токовыми нагрузками также сопровождается как значительным температурным воздействием на изоляцию обмоток тяговых электродвигателей (ТЭД), так и динамическими воздействиями на якорь при интенсивной подаче песка для предотвращения (прекращения) боксования при разгоне поезда, что может привести через определенное время к отказу ТЭД.

Изложенный выше метод может быть использован и для прогнозирования отказов ТЭД, для чего необходимо определить математическую связь между их отказами и временем экстремальной работы локомотива по сцеплению.

Литература:

1. Лисунов В.Н. Использование сил взаимодействия движущего колеса с рельсом в режимах тяги и электрического торможения: Монография / В.Н.Лисунов / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2003. 160 с.

2. Исаев И.П. Факторный анализ процессов изнашивания бандажей колесных пар электровозов / И.П.Исаев, А.В.Горский, А.А. Воробьев // Вестник ВНИИЖТ. 1980, № 4.С. 22-26.

3. Исмаилов Ш.К. Метод прогнозирования износа бандажей колесных пар и отказов тяговых электродвигателей электровозов на основе расчета времени их экстремальной работы по сцеплению/ Ш.К. Исмаилов, А.С. Талызин, А.Л. Золкин// Известия СНЦ РАН. 2011, №4(3), Том 13. С. 335-336