Контактные задачи железнодорожного транспорта - Экспериментальное определение сил взаимодействия колеса и рельса

Силы взаимодействия колеса и рельса зависят от состояния железнодорожного пути, типа движущегося по нему экипажа и его скорости. Состояние пути определяется такими параметрами, как тип шпал и рельсов, эпюра шпал, подуклонка рельса, расстояние между головками рельсов, величина износа их поверхностей катания (проката, бокового износа, вертикальных неровностей пути и неровностей пути в плане, формы поверхностей катания рельсов). К основным характеристикам экипажа, влияющим на силы взаимодействия колес с рельсами, относятся: тип тележек; силовые характеристики связей кузова и рам тележек, а также рам тележек с колесными парами; характеристики демпфирующих устройств; величина износа поверхностей катания и гребней колес; формы поверхностей катания. Существенное влияние на силы взаимодействия оказывают различные способы лубрикации рельсов в кривых участках пути.
Значения сил взаимодействия колес экипажа и рельсов определяются экспериментальным путем либо с использованием компьютерных моделей. Исследования сил взаимодействия колес локомотива 2ТЭ116, оборудованного двумя трехосными тележками, с рельсами при движении в кривых радиусами 300 и 600 м и на прямых участках пути проводились экспериментальными и расчетными методами [40].
В системе связи кузова тепловоза и рамы тележки реализована типовая схема со шкворнем и четырьмя опорами, расположенными на боковинах рамы тележки. Такая схема позволяет обеспечить прочность рамы тележки при снижении ее массы и создает предпосылки для получения высокого коэффициента использования сцепного веса. Для улучшения показателей динамики тепловоза при высоких скоростях движения между кузовом и тележками введены упругие связи с нелинейными характеристиками. Силовая характеристика поперечной связи имеет два участка: на первом при поперечном смещении до 40 ... 50 мм ее жесткость эквивалентна жесткости подвешивания на маятниках длиной не менее 0,6 м; на втором жесткость связи обеспечивает возрастание возвращающей силы до 0,2...0,3 нагрузки от кузова на тележку для предотвращения жестких ударов между ними.

 Опытные участки пути оборудовались тензодатчиками для регистрации напряжений в наружной и внутренней кромках подошвы рельсов и напряжений в шейке рельса для определения вертикальных и горизонтальных сил, действующих на рельсы, интегральным методом Шлюмпфа [11]. Кроме того, проводились замеры уровней шума, возникающего при взаимодействии колеса и рельса, вибрации рельсов, а также видеосъемка процесса движения колеса по рельсу. Перемещения измерялись бесконтактными прогибомерами пластинчатого типа. Для регистрации ускорений использовались ускорение меры типа BWH. Уровни шума измерялись шумомером-анализатором спектра SVAN 912АЕ, а при определении вибраций применялся вибропреобразователь KS-50.
Регистрация измеряемых параметров осуществлялась программноаппаратным комплексом АСП-№1250, включающим: персональный компьютер Notebook, крейтовую систему, состоящую из крейта-контроллера со встроенным интерфейсом связи с компьютером, аналого-цифрового преобразователя и калибратора сигналов; тензоусилитель с программируемым фильтром; виброусилитель с программируемым фильтром; программный пакет для записи и обработки сигналов.
Испытания проводились на тензометрическом участке кривой радиусом 300 м, имеющем следующую характеристику пути: балласт из щебня и асбеста толщиной 35 см и более; деревянные шпалы в количестве 2000 на 1 км пути, рельс Р65 с вертикальным износом 1,8 мм, боковым наружного рельса 4 мм и внутреннего 0,27 мм. Оценка воздействия колеса на путь проводилась двумя методами: точечным по полуразности кромочных напряжений в подошве рельса и интегральным.
В общем случае точка геометрического контакта колеса и рельса может располагаться в любом месте поверхности катания рельса, при этом возможен также двухточечный контакт. В контакте возникают силы, вызывающие сжатие - растяжение рельса, изгибы в горизонтальной и вертикальной плоскостях и кручение. При наклейке тензорезисторов на кромки подошвы рельса, как показано на рис. 10.12, они не реагируют на наличие крутящего момента по двум причинам. При приложении крутящего момента в рельсе возникают деформации сдвига и связанная с ними система касательных напряжений в поперечном сечении.  

Рис. 10.12. Схема расположения тензорезисторов на подошве рельса

В месте наклейки тензорезисторов касательные напряжения близки к нулю, а деформации сдвига не вызывают деформаций решетки тензорезистора, осевая линия которого ориентирована вдоль оси рельса.
При измерении полуразности показаний тензорезисторов обеспечивается получение информации о деформациях, вызванных только горизонтальной составляющей сил взаимодействия колеса и рельса. Деформации, вызванные растяжением и изгибом рельса в вертикальной плоскости, в местах наклейки тензорезисторов равны, и при включении их в разные плечи мостовой схемы она не реагирует на эти деформации.
В основу второго метода измерений положена схема, разработанная Шлюмпфом [11]. Метод позволяет измерять боковые и вертикальные силы, действующие на рельс, независимо друг от друга.
При приложении к рельсу вертикальной силы Р и боковой Υ в сечениях Г1 и Г2 возникают изгибающие моменты (рис. 10.13)
(10.26)
где h1, h2 - расстояния от линии действия силы Y сечений Г1 и Г2; е - эксцентриситет приложения силы Р.
Вычитая из второго уравнения зависимостей (10.26) первое, получаем
(10.27)
где М21, М22 - изгибающие моменты в сечениях Г1 и Г2, параллельных подошве рельса, действующие в вертикальной силовой плоскости перпендикулярной оси рельса.

 

Рис. 10.13. Схема расположения тензорезисторов для измерения боковой силы методом Шлюмпфа

Для получения информации об этих моментах оси тензорезисторов, наклеенных в сечениях Г1 и Г2, располагаются вертикально. Для того чтобы связь между моментами и напряжениями, а значит и деформациями, в сечениях Г1 и Г2 выражалась одинаковыми зависимостями, необходимо, чтобы моменты сопротивления их относительно осей параллельных оси рельса были одинаковыми. Для этого сечения выбирают так, чтобы толщины шейки рельса в них были равны. Сечения выбраны на расстояниях 112,5 мм (Г1) и 52,5 мм (Г2) от подошвы рельса, в которой толщина шейки составила 20,2 мм.
На тензометрическом участке тензорезисторы по схеме Шлюмпфа наклеены в нескольких сечениях по длине рельса. Пример их расположения на двух смежных участках показан на рис. 10.14, а. Тензорезисторы наклеены с двух сторон шейки рельса. Номера соответствующих датчиков, расположенных на невидимой стороне отмечены штрихом. В сечениях ГТ шесть тензорезисторов расположены с шагом 250 мм с каждой стороны рельса. В сечениях Г2 использовано три тензорезистора.  

Рис. 10.14. Схема наклейки тензорезисторов на тензометрических участках рельса для измерения боковой силы методом Шлюмпфа (а) и формирования осциллограмм соответствующих моментам M Г1 и M Г2 (б, в)

На рис. 10.14, б, в показано как формируется суммарный сигнал от тензорезисторов, включенных в измерительную схему, при перемещении боковой силы вдоль рельса. При использовании тензорезисторов 5 и 6 в измерительных схемах двух соседних участков обеспечивается наложение осциллограмм. В экспериментах использовались измерительные мостовые схемы.
Значения боковой силы определялись как произведение жесткости поперечной связи буксы с рамой тележки и измеренных значений поперечного перемещения колесной пары относительно рамы тележки. Рамная сила уравновешивается проекциями сил, возникающих в контактах двух колес с рельсами, и поэтому, если даже одно из них имеет гребневой контакт, возникающая в нем боковая сила отличается от рамной на значения поперечных сил крипа, действующих в контактах колес.
Коэффициенты вертикальной динамики определялись как отношение динамических прогибов упругих элементов рессорного подвешивания к их статическому прогибу. При этом учитывалось наличие демпферов в системе подвешивания. Коэффициенты вертикальной динамики позволяют установить значения вертикальных сил, действующих в контакте колеса и рельса.
При проведении испытаний оценивались динамические качества экипажа без упругой связи между кузовом и тележкой, с упругой связью, экипажа с радиальной установкой колесных пар в кривых участках пути, а также влияние на силы взаимодействия колеса и рельса при вписывании в кривые участки пути различных способов лубрикации рельсов. Здесь будет обращено внимание лишь на величины, определяющие значения сил взаимодействия колеса и рельса.
При испытании тепловоза с резинометаллическими опорами, обеспечивающими упругую поперечную связь кузова с тележками, движение на прямых участках пути со скоростями 40 ... 100 км/ч сопровождалось колебаниями поперечного относа кузова с амплитудами 10 ... 20 мм и вилянием тележек с частотой 1 ... 1,2 Гц. Рамные силы увеличивались с увеличением скорости движения и достигали 25 кН на шестой по ходу колесной паре при 100 км/ч. Отношение рамной силы к нагрузке на ось не превышало 0,065.
При движении в кривом участке пути определялись рамные силы с учетом статической и динамической составляющих. Для кривой радиусом 300 м равновесная скорость, при которой опрокидывающий момент от сил инерции уравновешивается моментом составляющей силы веса, возникающим благодаря возвышению наружного рельса, составляла 46 км/ч. Значения рамных сил Yр для шести колесных пар, возникающих при движении в кривой радиусом 300 м, представлены на рис. 10.15.
При движении со скоростью V= 70 км/ч все рамные силы направлены наружу кривой и их квазистатические составляющие для колесных пар 1 - 6 равны соответственно 52; 15; 32; 29; 20 и 41 кН. Максимальные значения рамных сил с учетом динамической составляющей, измеренные на первой колесной паре, составили 62 кН. Рамные силы при движении тепловоза по стрелочным переводам марок 1/9 и 1/11 не превысили соответственно 70 и 68 кН.
Характерной особенностью вертикальных колебаний тепловозов с бесчелюстными тележками и индивидуальным рессорным подвешиванием является различный динамический прогиб пружин направляющей и последующих колесных пар. Наибольший прогиб имеют пружины первой по ходу колесной пары тележки. Для экипажа с жесткими опорами он достигает 29 мм. Прогиб пружин задней колесной пары в 2 раза меньше. При применении резинометаллических опор рама тележки, перемещаясь относительно кузова, выполняет роль балансира, максимальный динамический прогиб снижается до 20 мм, а следовательно, уменьшается коэффициент динамики Kд.

Рис. 10.15. Зависимость рамных сил Y р шести осей тепловоза 2ТЭ116 при движении в кривой радиусом 300 м от скорости:
• - передний ход; х - задний ход; +• - квазистатическое отклонение скорости V движения экипажа.
При V - 100 км/ч коэффициенты вертикальной динамики для экипажей с опорами различного исполнения
Кд=0,24 и 0,35.

Рис. 10.16. Зависимости коэффициентов динамики от скорости движения тепловоза 2ТЭ116 при опирании кузова на раму тележки через опоры:
-жесткие; — - резинометаллические

На тензометрическом участке кривой радиусом 300 м исследовано воздействие тепловоза на путь при трех различных трибологических состояниях поверхностей рельсов: рельсы не смазаны, смазана боковая поверхность головки наружного рельса, смазаны боковая поверхность головки наружного рельса и поверхность катания внутреннего. Для проведения испытаний собран опытный поезд в составе секции А тепловоза 2ТЭ116, электровоза ВЛ 11, вагона-лаборатории и тепловоза ТЭМ2. Бандажи колес тепловоза 2ТЭ116 имели поверхности катания, обточенные под профиль ДМеТИ. Для лубрикации рельсов использовалась смазка РС6 «В». Она наносилась по всей длине тензометрического участка. Измерения боковой силы проводились двумя описанными выше методами. Для обработки получаемой информации использовались компьютерные программы, разработанные во ВНИКТИ и научно-производственном предприятии «Мера».
Определение коэффициентов трения скольжения для пары колесо- рельс велось с помощью специально разработанного трибометра.  Для несмазанных поверхностей наружного рельса он составил 0,3...0,35, внутреннего рельса 0,14...0,27, а для смазанных поверхностей - 0,08. Заезды опытного поезда проводились со скоростями 30, 50 и 70 км/ч. Результаты измерений боковой силы, действующей на наружный рельс от первой и четвертой осей тепловоза для трех вариантов состояния поверхностей рельсов приведены на рис. 10.17. В табл. 10.9 приведены средние значения боковых сил от осей 1, 2, 4, 5 тепловоза 2ТЭ116, измеренных с использованием метода Шлюмпфа.

Рис. 10.17. Зависимости боковых сил Y бок , измеренных методом Шлюмпфа, от скорости движения тепловоза 2ТЭ116 в кривой радиусом 300 м при различных вариантах трибологического состояния рельсов: а - первая ось; б - четвертая ось;
------------- рельсы не смазаны; □ - смазана боковая поверхность головки наружного рельса; ● - смазана боковая поверхность головки наружного рельса и поверхность катания внутреннего рельса
10.9. Средние значения боковых сил (кН) от осей тепловоза 2ТЭ116 при трех вариантах трибологического состояния рельсов

При несмазанных поверхностях рельсов наибольшая боковая сила возникает при прохождении первой и четвертой осей. Она возрастает с увеличением скорости локомотива и достигает 52,4; 54,4 кН при V = 70 км/ч. У смазанного наружного рельса боковая сила больше, чем в первом варианте (60,5 ... 63,3 кН), и слабо изменяется с увеличением скорости тепловоза.
На тензометрическом участке проведены также испытания по воздействию на путь тепловоза 2ТЭ116 с тележками, оборудованными устройствами для радиальной установки колесных пар. Испытательный поезд составлен из секций тепловоза серийного исполнения и опытной, оборудованной устройствами радиальной установки. Испытания проводились в режимах выбега, тяги и торможения. Было установлено, что при движении в кривой крайние колесные пары тележек опытного тепловоза устанавливаются в положение близкое к радиальному, существенно уменьшаются углы набегания гребней колесных пар на рельс. В кривых радиусом 600 м углы набегания уменьшаются в 5 - 6 раз, в кривых радиусом 300 м - в 2,3 - 2,7 раза, а в кривых радиусом 110 м - в 1,2 - 1,3 раза.
Измеренные рамные силы, возникающие при движении опытного тепловоза в кривых участках пути, оказались близкими по значениям к полученным для серийного тепловоза. В кривой радиусом 300 м максимальные рамные силы на набегающих колесных парах при скоростях движения 10, 30, 50 и 70 км/ч составили 30, 35, 40 и 64 кН. При движении в кривой радиусом 110 м максимальная рамная сила составила 61 кН.
Испытания по воздействию на путь проводились в кривой радиусом 300 м и носили сравнительный характер. Боковые силы оценивались по кромочным напряжениям в рельсах. Зависимости полуразности кромочных напряжений σ1 в подошве наружного рельса при движении в кривой радиусом 300 м, позволяющие оценить значения боковых сил, приведены на рис. 10.18. Испытания подтвердили эффективность применения устройств для радиальной установки колесных пар при движении в кривых. Полуразность кромочных напряжений от первой и четвертой направляющих колесных пар снизилась в 1,4 - 2,4 раза по сравнению с полученными для серийного тепловоза. Она уменьшилась также и при прохождении средних колесных пар. Так, при скоростях 10 и 30 км/ч от воздействия этих колесных пар серийного тепловоза получены полуразности кромочных напряжений 156 и 254 МПа, тогда как для опытного тепловоза они составили 56 и 75 МПа.
Видеокамера, установленная между рельсами на тензометрическом участке, позволила наблюдать положения колесных пар при движении в кривой.  

Рис. 10.18. Зависимости полуразности кромочных напряжений σ1 в наружном рельсе кривой радиусом 300 м при прохождении тепловоза 2ТЭ116:
а - первая ось; б - четвертая ось; 1 - серийное исполнение, режим выбега; 2 - 4 - с радиальной установкой колесных пар; 2 - режим тяги;
3 - режим торможения; 4 - режим выбега
При скоростях движения 10 ... 50 км/ч направляющие и средние колесные пары тепловоза серийного исполнения набегают гребнем на наружный рельс, а задние занимают среднее положение и смещаются ближе к внутреннему рельсу. На опытном тепловозе с радиальной установкой колесных пар гребни всех колесных пар приближены к наружному рельсу. Полуразность кромочных напряжений в подошве рельса при прохождении всех колесных пар существенно меньше, чем от колесных пар серийного тепловоза.
Из приведенных результатов экспериментальных исследований следует, что при определении напряжений в области контакта колеса и рельса расчетные значения вертикальной составляющей силы взаимодействия следует принимать равными 1/2 статической нагрузки от оси на рельс с динамической добавкой, определяемой коэффициентом вертикальной динамики Кд=0,24...0,35. Максимальное значение боковой силы при движении в прямом участке пути достигает 25 кН, а при движении в кривых с рассмотренными скоростями не превышает 60 кН.
Для измерения вертикальных сил Рв и горизонтальных действующих на колесо вагонной колесной пары, использованы динамометрические и тензометрические колесные пары [45]. Вертикальная сила помимо статической и динамической составляющих содержит также составляющую от инерционных сил, вызванных вертикальными ускорениями колесной пары. Эти ускорения обусловлены короткими неровностями, имеющимися на поверхностях катания колес и рельсов, и могут достигать больших значений. Динамометрическая колесная пара позволяет измерять вертикальные и горизонтальные силы, действующие на колесо. Она является точным измерительным средством, но ее подготовка и градуировка - весьма трудоемкие операции. Измерение динамических сил проводят, как правило, без создания искусственных коротких неровностей на поверхностях катания колеса.
При измерении напряжений в дисках колес пассажирских вагонов использованы тензометрические колесные пары. В четырех точках диска колеса размещались Т-образные розетки тензорезисторов. Среди колес испытанных колесных пар были колеса без дефектов, с ползуном глубиной 1 мм и неравномерным прокатом глубиной 1,9 и длиной 500 мм. Измерения проводились при скоростях движения до 100 км/ч на пути с железобетонными и деревянными шпалами, включая участки с кривыми малого радиуса.
При разработке методики определения сил, действующих на колеса, учитывалось, что измеренные посредством тензорезисторов напряжения линейно связаны с силами. Тогда для определения сил можно воспользоваться результатами измерений в некоторых точках диска 1 и 2:

где к1 - к41 - постоянные коэффициенты.
Высокая точность определения сил Рв и Qн достигалась выбором тензорезисторов с максимальной чувствительностью к исследуемой силе и минимальной к силам других направлений. При определении вертикальных сил использовались показания тензорезисторов в их нижнем положении относительно рельса. С помощью суммирующего устройства формировались сигналы, соответствующие силам Рв и Qн, которые подавались на вход ЭВМ. Для каждой реализации длительностью 30 с с выхода ЭВМ получали статистические распределения амплитуд динамических сил, действующих на колесо. Распределения группировались по скоростям движения 40...160 км/ч, затем строились квантильные диаграммы, по которым определялись параметры статистических распределений. Построены диаграммы сил Рв для колес без дефектов, с ползуном и неравномерным прокатом и диаграммы сил Qн для колеса без дефектов. Во всех случаях распределения сил Рв для колес без дефектов и с ползуном мало зависят от скорости движения вагона, а для колес с неравномерным прокатом средние и средние квадратические значения сил увеличиваются с ростом скорости движения. Значения параметров распределений приведены в табл. 10.10.

10.10. Параметры распределений вертикальных сил Рв и горизонтальных Qн , действующих на колесо вагона

* Получено в кривой малого радиуса.
Примечание. Обозначения: х- среднее значение силы; S - среднеквадратичное отклонение силы.

10.11. Нагруженность колеса пассажирского вагона вертикальной силой Рв и горизонтальной силой Qн

Горизонтальная сила Qн действует на колесо снаружи пути; в кривых она действует во время всего движения, а в прямых - примерно 15 % времени движения. Если учесть, что в среднем на сети железных дорог имеется 25 % кривых участков, сила Qн действует на колесо в течение 30 % времени движения вагона. Сила трения Qв действует на колесо изнутри пути все остальное время.
Для определения эксплуатационного режима нагружения колеса с неравномерным прокатом необходимо учитывать распределение скоростей движения пассажирского вагона. Распределение скоростей дается в нормативной документации [64].
Получены параметры эксплуатационного режима нагружения колеса в предположении, что оно имеет неравномерный прокат в течение всего времени работы (табл. 10.11).