Chita, Chita, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 55.41 Локомотивостроение и вагоностроение
GRNTI 73.29 Железнодорожный транспорт
The object of researches is brake systems of innovation freight cars. The work purpose consists in the assessment of braking system effectiveness in innovation freight cars and in standard ones at different operation modes. The scientific novelty consists in the definition of the dependence of a slide block depth on the length of wheel pair skidding motion and braking distance dependence upon car speed. During the work there was carried out a retrospective analysis of cases with traffic safety violation connected with the formation of excessive sliders in freight cars in organized trains because of the violation of braking equipment normal operation. By means of the least-squares method there was obtained a linear equation defining the dependence of slider depth upon the skidding length of a wheel pair. As a result of the work there were defined parameters of defect formation on freight car wheels at their skidding, the calculations of braking system efficiency in different freight cars were carried out. In the course of the analysis of freight car braking efficiency there are obtained equations of braking length in the accepted range of speeds at the beginning of braking for empty and loaded states. Minimum values of the design factor of braking block pressing in translation to a train length of 200 shafts in the empty state were 0.2256 for a speed of 40km/h, in the loaded one – 0.1781 for a speed of 120 km/h at the standard values 0.22 and 0.14 respectively. By means of calculations and experiments it is proved that composite braking block pressing force on a shaft exceeds 4tf/shaft, and that of cast-iron – 10tf. Accordingly, a car with the shaft load of 25 tf/shaft and accepted parameters of a braking system may be operated up to the speeds of 120 km/h inclusive without limitations.
car, braking equipment, skidding, braking distance, brake block pressing, coefficient
Введение
Повышение провозной способности железных дорог обуславливает необходимость повышения осевой нагрузки грузовых вагонов до 25-30 тс/ось. При этом актуальное значение приобретают вопросы безопасности движения, составной частью которой является тормозная эффективность вагона. Отсутствие опыта эксплуатации грузовых вагонов с повышенной осевой нагрузкой до 25 тс/ось требует тщательного анализа и оценки их тормозных характеристик. Целью исследования является оценка эффективности тормозных систем инновационных и стандартных грузовых вагонов при различных режимах работы.
Оценка интенсивности образования ползуна при движении заклиненной колесной пары на основе опытных данных
Для получения усредненной оценки интенсивности образования ползуна на поверхности катания колеса грузового вагона при движении колесной пары юзом были проанализированы случаи нарушения безопасности движения с 2007 по 2019 гг. Для расчета был выделен ряд случаев, связанных с образованием сверхдопустимых ползунов в грузовых вагонах, следовавших в составе организованных поездов (табл. 1).
Таблица 1
Случаи, связанные с образованием сверхдопустимых ползунов в грузовых вагонах
|
Дата, станция, № вагона |
Величина ползуна |
Интенсивность износа колеса |
|
9 января 2007 г., станция Сковородино, вагон №24094906 |
Выявлены ползуны на всех четырех колесных парах глубиной от 6 до 11 мм (рис.1). |
Средняя интенсивность износа колеса составила 0,47 мм на 1 км пути. |
|
9 января 2009 г., станция Селенга Восточно-Сибирской ж.д, вагон № 53937793 |
Выявлены ползуны глубиной от 3 до 6 мм (рис.2) |
Интенсивность износа колеса составила 0,35 мм на 1 км пути. |
|
28 декабря 2016 г., перегон Укурей – Куэнга, сход вагона № 60749165 |
Образование сверхнормативных ползунов на всех четырех колесных парах от 6,5 мм до 13,5 мм (рис.3) |
Средняя интенсивность износа колеса составила 0,66 мм на 1 км пути. |
|
16 декабря 2017 г., станция Соктуй Борзинского территориального управления Забайкальской ж.д., вагон № 90221029 |
На колесных парах вагона имелись ползуны глубиной до 30 мм (рис.4). |
Средняя интенсивность износа колеса составила 0,45 мм на 1 км пути |
|
12 мая 2019 г., перегон Жипхеген – Бада Читинского территориального управления Забайкальской ж.д., вагон № 63131700 |
выявлено наличие ползунов и наваров на поверхности катания первой и второй колесных пар глубиной от 10 до 14,8 мм (рис.5). |
Протяженность пути движения вагона юзом составила 30 км. |
|
19 декабря 2019 г., перегон Сгибеево – Большая Омутная Могочинского территори-ального управления Забайкальской железной дороги, вагон № 54143573. |
выявлено наличие ползунов и наваров на поверхности катания колес глубиной от 12 до 15,7 мм (рис.6). |
Протяженность пути движения вагона юзом составила 28 км |
|
|
Рис.1. Образование ползунов на поверхности катания колес вагона №24094906 |
|
|
Рис. 2. Образование ползунов на поверхности катания колес вагона № 53937793
|
|
|
Рис. 3. Образование ползунов на поверхности катания колес вагона № 60749165
|
|
|
Рис. 4. Образование ползунов на поверхности катания колес вагона № 90221029 |
|
|
Рис. 5. Образование ползунов на поверхности катания колес вагона № 63131700
|
|
|
Рис. 6. Образование ползунов на поверхности катания колес вагона № 54143573 |
Для получения средней интенсивности образования глубины ползуна на колесе грузового вагона при движении юзом составим сводную таблицу с контрольными параметрами (табл. 2).
Таблица 2
Контрольные параметры для расчета интенсивности образования ползуна
при движении вагона юзом
|
Дата |
Номер вагона |
Глубина ползуна, мм |
Расстояние следования юзом, км |
|
09.01.2007 г. |
24094906 |
8 |
17 |
|
9.01.2009 г. |
53937793 |
6 |
17 |
|
28.12.2016 г. |
60749165 |
8 |
6 |
|
16.12.2017 г. |
90221029 |
30 |
67 |
|
12.05.2019 г. |
63131700 |
13 |
30 |
|
19.12.2019 г. |
54143573 |
12 |
28 |
Методом наименьших квадратов аппроксимируем эмпирические данные линейной функции вида [1,2,3]:
|
|
(1) |
Для рассматриваемой функции система уравнений принимает следующий вид:
|
|
(2) |
Получаем систему уравнений в матричном виде:
Линейная функция, определяющая величину ползуна от протяженности движения колесной пары юзом, будет иметь вид:
График линейной функции в сочетании с исходными данными представлен на рисунке 7. Коэффициент детерминации R2 показывает, что статистическое соответствие рассчитанных на основании линейной регрессионной модели результатов и эмпирических данных составляет 99,8%.
Рис. 7. График линейной функции, определяющей
величину ползуна от протяженности движения
колесной пары юзом
Таким образом, на основе эмпирических данных получено уравнение линейного вида, определяющее зависимость глубины ползуна от протяженности движения юзом колесной пары.
Эффективность тормозных систем грузовых вагонов
Эффективность тормозной системы оценивалась для полувагона на опытных тележках с осевой нагрузкой 25 тс/ось. Тормозные исследования вагона проводились при оборудовании тележек композиционными колодками.
Исследования тормозной системы включали два этапа: на первом определялись тормозные характеристики в стационарных условиях (стационарные испытания), на втором – тормозная эффективность (ходовые тормозные испытания). В процессе стационарных испытаний оценивались параметры тормозной системы на соответствие требованиям: плотность тормозных приборов и соединительных трубопроводов, выходы штока тормозных цилиндров, давление в тормозных цилиндрах при экстренном торможении порожнего и груженого вагонов, а также соответствующие им силы нажатия колодок на колеса. По результатам стационарных испытаний было установлено, что тормозные коэффициенты для порожнего и груженого вагонов составили: для первой тележки (тележка со стороны ручного тормоза) соответственно 0,309 и 0,153, для второй – 0,293 и 0,160. Для вагона в целом тормозные коэффициенты составили 0,300 и 0,156, что превышает минимально допустимые значения на 0,22 и 0,14 соответственно. Фактические весовые характеристики для порожнего (тара) и груженого (вес груза с тарой) вагонов составили соответственно 24,7 и 99,6 тс. При ходовых тормозных испытаниях использовался метод «бросания», при котором реализовывалось экстренное пневматическое торможение опытного вагона [5,6,7].
Анализ тормозной эффективности осуществлялся по уравнениям линии тренда тормозных путей в принятом диапазоне скоростей в начале торможения (рис. 8, 9). Тормозные коэффициенты одиночного вагона пересчитывались на грузовой поезд из 200 осей.
Рис. 8. Зависимость тормозного пути от скорости грузового
порожнего вагона с потележечным торможением
Рис. 9. Зависимость тормозного пути от скорости грузового
груженого вагона с потележечным торможением
Результаты анализа показали, что величины тормозных коэффициентов превышают минимально допустимые значения как для груженого вагона (рис. 10), так и для порожнего (рис. 11). Силы нажатия композиционных колодок на ось превышают 4 тс, в пересчете на чугунные – 10 тс. Изменение тормозного пути в зависимости от времени торможения свидетельствует, что максимальная интенсивность приходится на начальный период торможения. Замедление как для груженого вагона, так и для порожнего с увеличением скорости в начале торможения уменьшается. Такой характер распределения обусловлен особенностью реализации коэффициента трения композиционных колодок. Ускорения, действующие на элементы вагона, с увеличением скорости уменьшаются (рис. 12).
Рис. 10. Экспериментальные значения тормозных коэффициентов
для вагонов в груженом состоянии и пересчитанные на поезд из 200 осей
Рис. 11. Экспериментальные значения тормозных коэффициентов
для вагонов в порожнем состоянии и пересчитанные на поезд из 200 осей
Рис. 12. Зависимость ускорений, действующих
на элементы вагона, от скорости его движения
Тормозная система полувагона на тележках с осевой нагрузкой 25 тс/ось с раздельным торможением отвечает нормативно-техническим требованиям [8,9]:
– давления в тормозных цилиндрах при экстренных пневматических торможениях реализуются в пределах 1,3 – 1,6 кгс/см2 – для порожнего вагона и 3,35 кгс/см2 – для груженого вагона;
– выходы штоков при торможении составили 35 – 37 мм – для порожнего вагона и 45 – 49 мм – для груженого вагона;
– минимальные значения расчетного коэффициента силы нажатия колодок в пересчете на поезд длиной 200 осей в порожнем состоянии составили 0,2256 для скорости 40 км/ч, в груженом – 0,1781 для скорости 120 км/ч, при нормативных соответственно 0,22 и 0,14;
– сила нажатия композиционных колодок на ось превышает 4 тс, чугунных – 10 тс;
– замедление вагона характеризуется тремя периодами: торможение вагона под воздействием внешних тормозных сил; период торможения, обусловленный наполнением тормозного цилиндра сжатым воздухом; торможение вагона при постоянном давлении в тормозном цилиндре;
– инерционные силы, действующие на элементы вагона, уменьшаются с увеличением скорости в начале торможения;
– вагон с осевой нагрузкой 25 тс/ось и принятыми параметрами тормозной системы может эксплуатироваться до скоростей 120 км/ч включительно без ограничений.
Выводы
Благодаря полученным зависимостям представляется возможным по величине линейного износа (глубина ползуна) определить, при каких значениях эксплуатационных параметров образовался дефект. На основании этих данных возможно выполнить тепловой расчет, определить скорость деформации металла колеса и получить тем самым информацию о состоянии поверхностного и подповерхностного слоев. Это поможет в условиях ремонтного производства оптимально назначить припуск на механическую обработку профиля катания колеса, обеспечив сокращение нецелесообразного расхода полезного слоя металла колеса в стружку, продлив тем самым его срок службы [10]. Были выполнены расчеты тормозного пути для вагонов с различными тормозными системами: оборудованные раздельным торможением, стандартной симметричной и ассиметричной тормозной системой. Расчеты производились для минимальной и максимальной силы нажатия с максимальной конструкционной скорости как груженого, так и порожнего вагона. В ходе расчетов доказано, что условия по предельному тормозному пути для порожнего и груженого вагона выполняются.
1. Pogudin, V. G. Vliyanie parametrov tormoznoy seti i rezhima upravleniya tormozami na nadezhnost' tormoznogo oborudovaniya / V. G. Pogudin, A. V. Isaev // Lokomotiv. - 2019. - № 6. - S. 55 - 57.
2. Lutay, S. N. Elementy tormoznoy magistrali gruzovogo vagona novogo pokoleniya / S. N. Lutay // Vagonnyy park: Mezhdunarodnyy informacionnyy nauchno-tehnicheskiy zhurnal. - 2014. - № 1. - S. 61 - 68.
3. Ivanova, T. V. Prognozirovanie iznosov v elementah treniya telezhki modeli 18-9855 / T. V. Ivanova, A. Yu. Belov, D. G. Nalobordin // Vagony i vagonnoe hozyaystvo. - 2019. - №4. - S.34-35.
4. Egorov, V. P. Ustranenie neispravnostey tormoznogo oborudovaniya elektropoezdov / V. P. Egorov, E. A. Bursdorf // Lokomotiv. - 2019. - № 12. - S. 42 - 45.
5. Kochergin, V. V. Perspektivnoe napravlenie obespecheniya bezopasnosti dvizheniya poezdov / V. V. Kochergin, I. N. Maksimov // Lokomotiv. - 2019. - № 8. - S. 38 - 40.
6. Rozhkova, E. A. Razrabotka i modelirovanie avtomatizirovannoy linii remonta kolesnyh par / E. A. Rozhkova, I. V. Kovrigina, D. G. Nalabordin // Sovremennye tehnologii. Sistemnyy analiz. Modelirovanie. - 2020. - № 3(67). - S. 32-40.
7. Rozhkova, E. A. Analiz ustoychivosti vagona ot oprokidyvaniya pri dvizhenii v krivyh uchastkah puti razlichnogo radiusa / E. A.Rozhkova, A. N. Astaf'eva, T. A. Baranova // Molodaya nauka Sibiri. - 2020.- №2. - S. 62-67.
8. Muradyan, L. A. Puti razvitiya, tendencii i perspektivy dal'neyshego sovershenstvovaniya tormoznoy kolodki rel'sovogo podvizhnogo sostava / L. A. Muradyan, V. Yu. Shaposhnik, S. V. Vinokurova // Vagonnyy park: Mezhdunarodnyy informacionnyy nauchno-tehnicheskiy zhurnal. - 2015. - № 5. - S. 32 - 34.
9. Vodyannikov, Yu. Ya. Osobennosti processa tormozheniya gruzovogo vagona s osevoy nagruzkoy 25 ts / Yu. Ya. Vodyannikov, S .V. Kukin, A. E. Nischenko // Vagonnyy park: Mezhdunarodnyy informacionnyy nauchno-tehnicheskiy zhurnal. - 2014. - № 1. - S. 13 - 21.
10. Obryvalin, A. V. Ocenka intensivnosti iznashivaniya kolesa pri ego kratkovremennom dvizhenii po rel'su yuzom / A. V. Obryvalin, L. A. Nikitina // Vestnik RGUPS. - 2018. - №2. - S.42-46.
