Математичне моделювання руху поiзда

Вступ

Математична модель в механiцi - це замкнута система математичних спiввiдношень, що дозволяi з прийнятною точнiстю вивчати особливостi поведiнки даного об'iкту, що цiкавлять дослiдника.

Математичне моделювання в механiцi керованих систем маi ряд особливостей:

В· Що вивчаються в механiцi керованого руху об'iкти надзвичайно рiзноманiтнi. Автомобiль, гiроскопiчний стабiлiзатор, крокуючий робот, iмiтатор космiчного польоту i т.п. складаються з рiзних жорстких конструктивних елементiв, пристроiв, датчикiв, двигунiв. З теоретико-механiчноi точки зору всi цi об'iкти можуть розглядатися як системи, що складаються з великого числа взаiмодiючих твердих тiл. Спроба скласти математичну модель такого об'iкту за допомогою класичних методiв теоретичноi механiки, наприклад у формi рiвнянь Лагранжа, зазвичай приводить до неймовiрно громiздких рiвнянь, що налiчують сотнi i тисячi доданкiв. Виникаi потреба в наближеному моделюваннi, яке для чiтко обумовленого класу руху описуi потрiбнi явища з прийнятною точнiстю.

В· Для систем, керованих рухiв, що вивчаються механiкою, характернi сильнi загасання високочастотних власних складових руху. Наближене моделювання таких систем тяжii до побудови розкладань А. Пуанкаре i погрансольним методам А.Н. Тихонова - А.Б. Васильiвоi.

Проникнення математичних методiв в найрiзноманiтнiшi, часом несподiванi сфери людськоi дiяльностi означаi можливiсть користуватися новими, як правило, вельми плiдними засобами дослiдження. Зростання математичноi культури фахiвцiв у вiдповiдних областях призводить до того, що вивчення загальних теоретичних положень i методiв обчислень вже не становить серйозних труднощiв. Але на практицi виявляiться, що одних лише математичних пiзнань далеко не достатньо для вирiшення того або iншого прикладного завдання необхiдно ще отримати навики в перекладi початкового формулювання завдання математичною мовою.

Ситуацii моделюють для рiзних цiлей. Головна з них необхiднiсть передбачати новi результати або новi властивостi явища. Цi прогнози можуть бути пов'язанi з розповсюдженням iснуючих результатiв або мати принциповiший характер. Часто вони вiдносяться до умов, якi, ймовiрно, матимуть мiсце в деякий момент в майбутньому. З iншого боку, прогнози можуть вiдноситься до подiй, безпосереднi експериментальне дослiдження яких нездiйсненно. Найбiльш важливий приклад такого роду дають численнi прогнози, якi робилися на основi математичних моделей в програмi космiчних дослiджень. Проте для цiii мети моделюються не всi ситуацii: в деяких випадках досить вмiти описувати математичними засобами роботу системи для того, щоб добитися глибшого розумiння явища (саме цю роль i грають багато видатних фiзичних теорiй, хоча на iх основi робляться також i прогнози). Зазвичай при такому математичному описi не враховуiться елемент контролю, проте в моделях, побудованих, наприклад, для дослiдження роботи мереж, таких як схеми руху потягiв або лiтакiв, контроль часто i важливим чинником.

Математична модель i спрощенням реальноi ситуацii. Вiдчутне спрощення наступаi тодi, коли неiстотнi особливостi ситуацii вiдкидаються i складне початкове завдання зводиться до завдання, що iдеалiзуiться, пiддаiться математичному аналiзу. Саме при такому пiдходi в класичнiй прикладнiй механiцi виникли блоки без тертя, невагомi нерозтяжнi нитки, нев'язкi рiдини, абсолютно твердi або чорнi тiла i iншi подiбнi моделi, що iдеалiзуються. Цi поняття не iснують в реальнiй дiйсностi, вони i абстракцiями, складовою частиною iдеалiзацii, зробленiй автором моделi. РЖ проте iх часто можна з успiхом вважати хорошим наближенням до реальних ситуацiй. Описаний образ дiй при побудовi математичних моделей не i iдиним, i цьому зовсiм не варто дивуватися. У iншому можливому пiдходi першим кроком i побудова простiй моделi декiлькох найбiльш характерних особливостей явища. Це часто робиться для того, щоб вiдчути дане завдання, причому робиться це ще до того, як саме завдання остаточно сформульоване. Потiм ця модель узагальнюiться, щоб охопити iншi факти, поки не буде знайдено прийнятне або адекватне рiшення. РД ще пiдхiд, коли iз самого початку вводиться в розгляд одночасне велике число чинникiв. Вiн часто застосовуiться в дослiдженнi операцiй, i такi моделi зазвичай вивчають iмiтацiйними методами з використанням ЕОМ.

Актуальнiсть теми. Одна з основних проблем сучасного локомотивобудування - забезпечення високих тягових i динамiчних характеристик локомотивiв, якi в основному визначаються конструкцiiю екiпажноi частини i технiчним станом системи колесо - рейка.

У останнi десятилiття з метою зменшення силовоi взаiмодii i зносу гребенiв колiс i рейок в кривих велася цiлеспрямована i системна робота по впровадженню нових профiлiв колiс i технологiй змазування гребенiв i рейок. Це значно понизило гостроту проблеми виходу з експлуатацii рейок i бандажiв локомотивних колiс внаслiдок пiдвищеного зносу. В той же час збiльшилася контактно-втомна пошкоджуванiсть колiс i рейок.

Дослiдження динамiки локомотивiв i зношування гребенiв в бiльшостi теоретичних i експериментальних робiт виконувалися на вибiгу, а не пiд тягою, при контактi нових колiс, у тому числi i з криволiнiйним профiлем, з новими або мало зношеними рейками i без змазування.

Вивчення динамiки з погляду силовоi взаiмодii i зношування гребенiв колiс локомотива в режимах вибiгу i тяга при рiзному технiчному станi системи колесо - рейка i актуальним завданням.

Роздiл 1. Опис фiзичних явищ, що впливають на рух поiзда

1.1 Особливостi залiзничного руху

Технiчнi параметри. Тяга. Найбiльш важливими параметрами, що впливають на рух потягу, i сила тяги локомотива i питомий опiр рухомого складу. Останнi виражаiться з розрахунку на вагу типового (наприклад, вантажного або пасажирського) вагону. Щоб перемiщати з малою швидкiстю за горизонтальним прямолiнiйним профiлем звичайний вантажний вагон вагою 30 т, необхiдна тяга в 90 кг (т.б. до тонни ваги порожнього вагону треба прикласти рушiйну силу в 3 кг). Для руху там же того ж вагону з вантажем 60 т буде потрiбно тягу всього в 130 кг (т.б. 1,4 кг/т). При русi на малiй швидкостi пасажирського потягу з вагонами вагою 60 т на тiй же дiлянцi шляху потрiбно долати питомий опiр 2,2 кг/т. Оскiльки пасажирськi потяги зазвичай ходять швидше товарних, при iх русi слiд враховувати i опiр повiтря, для подолання якого необхiдна додаткова тяга, що у результатi може досягти вiд 3,6 до 5,4 кг/т в дiапазонi швидкостей вiд 113 до 160 км/г. Питомий опiр при важких рейках на баластi з скельного щебеня менший, нiж при легких рейках на м'якому баластi. Окрiм вищезазначених чинникiв, на величину необхiдноi тяги впливають нахили (так, на дiлянцi шляху з пiдйомом в 1% потрiбно збiльшувати тягу на 9 кг/т) i повороти (кожен додатковий кутовий градус кривизни шляху вимагаi вiд 0,2 до 0,7 кг/т тяги).

Швидкiсть. Основнi обмеження швидкостi руху по залiзницi диктуються властивостями ii полотна, верхньоi будови шляху i особливостями конструкцii залiзничного колеса. Стандартна колiя i досить вузькою базою, яка повинна витримувати всi навантаження вiд залiзничного складу. Верхнi межi швидкостi обумовленi ще i тим, що у кожного колеса гребiнь (реборда) i лише з одного боку, i тому практично тiльки сила тяжiння утримуi вагони i локомотиви на рейках. Джерелами обурень динамiчноi стiйкостi рухомих складiв i перетини шляхiв i iх сполучення з перевiдними стрiлками. Такого роду перешкоди обмежують швидкiсть руху величиною 210 км/г при iдеальному станi засобiв i устаткування залiзницi. Проте цей iдеальний стан практично недосяжний внаслiдок багатьох причин. Тому на магiстральних залiзницях максимально допустима швидкiсть товарних потягiв складаi 80тАУ90 км/г. Важко забезпечувати рух на пiдвищених швидкостях навiть пасажирських потягiв, для яких теж iснують економiчно обгрунтованi обмеження швидкостi, пов'язанi iз зносом i межами мiцностi конструкцii вузлiв рухомого складу.

Повороти шляху теж обмежують швидкiсть. Дiю вiдцентровоi сили можна до деякоi мiри компенсувати, пiднiмаючи на поворотах зовнiшню рейку щодо внутрiшньоi, але рiзницю мiж iх рiвнями не можна робити бiльше 15 див. При поворотi на 1R (радiус кривизни повороту 1750 м) не можна розвивати швидкiсть бiльше 150 км/г; при поворотi на 2S швидкостi треба знижувати до 80 км/г; при 3S тАУ до 65 км/г; при 5S (радiус кривизни 349 м) тАУ до 50 км/ч. На швидкiсних трасах слiд виключати повороти бiльш 2S. Проте, повороти залiзничноi колii бiльш 3S зустрiчаються навiть на рiвнинах; у гористiй мiсцевостi нерiдко доводиться робити повороти в 8T i навiть 10T. Обмежуi швидкiсть руху i багато що iнше тАУ умови руху по мостах i в тунелях, на перетинах шляхiв, на стрiлках, на спусках (де особливо важливо контролювати швидкiсть, враховуючи можливостi гальмiвноi системи).

Тертя мiж рейкою i залiзничним колесом i одним з найважливiших чинникiв функцiонування залiзницi. Коли рейки покриваються вологою, iх посипають пiском, щоб колеса не пробуксовували. Максимальне значення сили тертя мiж колесом i рейкою, необхiдне для гальмування потягу або його розгону, рiвно чвертi ваги, що доводиться на це колесо. Оскiльки для екстреного прискорення або уповiльнення руху залiзничного складу необхiдне вiдносне тягове зусилля в 45 кг/т, гальмування змiною навантаження на колесо обмежуiться максимальним значенням вiдповiдного уповiльнення в 8 км/г за 1 секунду.

Габарити одиницi рухомого складу. Важливою характеристикою i габарити вагонiв i вантажiв, що перевозяться ними, якi допустимi при пересуваннi мимо придорожнiх будов, в тунелях i пiд мостовими спорудами. На американських залiзницях рекомендуiться залишати стандартний вiльний простiр шириною 4,9 м до висоти 4,9 м над головками рейок. Таким чином, допустима ширина транспортного засобу не набагато перевищуi 3 м в найбiльш широкiй його частинi, а максимальна висота його над рейками обмежена 4,4тАУ4,6 м. Вiдстань мiж центральними лiнiями магiстральних шляхiв складаi 4 м, i, оскiльки на поворотах транспортний засiб заносить, довжина одиницi рухомого складу незчленованого типу обмежуiться 26 м. Кiнцевi, старi дiлянки дороги i бiчнi вiтки не вiдповiдають стандартним вимогам. Через це залiзничному транспорту iнодi доводиться здiйснювати об'iзди по обхiдних маршрутах i нерiдко просуватися на малих швидкостях. Всi цi габаритнi обмеження роблять вплив на конструктивнi рiшення i потужнiсть локомотивiв.

Навантаження на вiсь одиницi рухомого складу i ще однiiю важливою експлуатацiйною характеристикою залiзничного транспорту. Вона залежить вiд рiзних параметрiв: розмiрiв рейок, розташування шпал, стану залiзничного полотна, мiцностi мостових конструкцiй i т.п. Навантаження на вiсь може досягати 29 000 кг Внаслiдок цього стандартнi критi вагони випускаються вантажопiдйомнiстю 50тАУ60 т, хопери тАУ вiд 70 до 100 т, критi хопери тАУ 100 т. Вага локомотива може досягати 200 т. Зазвичай потужнiсть дизельного тепловоза складаi вiд 2200 до 2650 кВт. Залежно вiд рельiфу мiсцевостi i загальноi ваги складу до нього iнодi пiдчiплюють до 6 тепловозiв. При початку руху локомотив може розвивати тягове зусилля, рiвне 30% його повноi ваги, а на ухилах тАУ до 240 т. Локомотиви тiii ж потужностi, призначенi для пасажирських потягiв, можуть розвивати таку ж тягу при розгонi, а на ухилах тАУ до 18 т на одиницю рухомого складу.

Гальмування. Щоб зупинити потяг, необхiдно розсiяти його кiнетичну енергiю, а на спуску ще i подолати дiю кочення сили тяжiння, що становить. Це виконуiться за допомогою гальм, що встановлених на кожнiй одиницi рухомого складу i спрацьовують вiд автоматичного приводу, управлiння яким знаходиться на локомотивi. Широко використовуються пневматичнi гальма. У кожному вагонi i свiй резервуар iз стислим повiтрям, яке при гальмуваннi поступаi в гальмiвнi цилiндри, так що зупинити будь-який вагон можна i в тому випадку, якщо вiн вiдчепиться вiд складу. Звичайне гальмування здiйснюiться зниженням тиску повiтря в системi, що складаiться з магiстралi, що проходить уздовж всього потягу, i патрубкiв до гальмiвних цилiндрiв. При непередбаченому вiдчепленнi вагону вiд потягу його гальмо спрацьовуi автоматично. Недолiком такоi гальмiвноi системи i те, що гальма всiх вагонiв спрацьовують не одночасно, оскiльки швидкiсть розповсюдження змiни тиску повiтря по магiстралi не може бути бiльше швидкостi звуку в повiтрi (у технiчних пристроях вона зазвичай не перевершуi 120 м/с). Отже, останнiй вагон в складi з 150 вагонiв починаi гальмуватися лише через 15 з пiсля гальмування першого вагону, що приводить до небезпечноi затримки гальмування i великоi довжини гальмiвного шляху.

На пасажирських потягах економiчно виправдано застосування бiльш довершених гальм. У гальмiвних системах високошвидкiсних потягiв використовують електропневматичнi гальма, тобто повiтрянi гальма на кожному вагонi з централiзованим електричним iх управлiнням. Якщо потяг, що йде iз швидкiстю 160 км/г, пiсля включення чисто пневматичних гальм пройде ще 2100 м до повноi зупинки, то при включеннi електропневматичних гальм ця вiдстань скорочуiться до 1200 м.

Вага потягу. З урахуванням технiчних можливостей залiзничного транспорту вага товарних потягiв складаi 6000тАУ10 000 т, а число вагонiв 80тАУ100; вага пасажирського потягу обмежуiться 1500 т. При цьому витрата енергii i робочих людино-годин на тонно-кiлометр перевезень виявляiться мiнiмальниою.

Рух потягiв. Розклад i порядок проходження потягiв. До появи телеграфу управлiння рухом потягiв на залiзницях здiйснювалося на основi розкладу i правил, наказаних лiнiйною адмiнiстрацiiю. Цими правилами встановлювалися розпорядок переважного пропуску потягiв рiзних класiв i мiнiмальний iнтервал вiд 5 до 10 хвилин мiж поiздами, що йдуть в одному напрямi. Крiм того, спецiальнi черговi сигнальники вiдповiдали за безпеку складу, який у разi зупинки вiдправлявся тiльки пiсля пiдняття ними прапорцiв, що вирiшують початок руху. З введенням телеграфу була створена диспетчерська служба управлiння рухом потягiв, що дозволило вносити змiни до розкладу i правил лiнiйноi адмiнiстрацii.

Блок-перегони. Заданий iнтервал мiж поiздами, що проходять, забезпечуiться шляхом розбиття перегонiв мiж станцiями на дрiбнiшi дiлянки, iменованi блок-перегонами, на кiнцях яких встановлюються блок-пости iз засобами сигналiзацii про зайнятiсть i свободу дiлянки. Спочатку сигнали подавалися уручну станцiйними i лiнiйними працiвниками залiзниць. При цьому сигнал, що вирiшуi в'iзд потягу на блок-перегiн, сигнальник виставляв тiльки тодi, коли вже був оповiщений сигнальником наступного блок-перегону про проходження попереду потягу, що йшов. Крiм того, при односторонньому русi треба було перевiряти i вiдсутнiсть стрiчного потягу. Пiзнiше була розроблена система електричноi сигналiзацii, в якiй струм пропускався по обох рейках, завдяки чому визначалася не тiльки вiдсутнiсть потягу на блок-перегонi, але i розривiв рейок на нiм. Ця ж система застосовуiться i понинi. Короткозамкнутий ланцюг утворюiться парою рейок i перемичкою з колiс потягу i осi мiж ними.

Внаслiдок великого гальмiвного шляху швидкiсного потягу необхiдно контролювати його наближення до блок-перегону на значнiй вiдстанi до нього. Тому ще за часiв ручноi сигналiзацii були введенi завчаснi сповiщення про дозвiл або заборону в'iзду на блок-перегiн. Здiйснити це в системi електричноi сигналiзацii опинилося досить легко, i в простому випадку аналогiчнi сигнали на послiдовних блок-постах придбали один i той же вигляд. Наближаючись до зайнятого блок-перегону, машинiст бачить жовте свiтло або повернене пiд кутом 45T крило семафора, встановленого на вiдстанi дещо бiльше гальмiвного шляху вiд межi зайнятого блок-перегону, де в цей час горить червоне свiтло або крило семафора розташовано горизонтально. Перше сигнальне свiдчення означаi ВлПриготуватися до зупинки бiля наступного блок-постуВ», а друге тАУ ВлСтопВ».

Для збiльшення пропускноi спроможностi шляху встановлюють промiжнi сигнальнi засоби, свiдчення яких дозволяють знов збiльшити швидкiсть на довжинi гальмiвного шляху, коли ранiше зайнятий блок-перегiн раптом звiльнився. У такому разi першим сигнальним свiдченням буде зелене свiтло над жовтим, що означаi ВлСкинути швидкiсть до наступного сигнального постаВ», а свiдчення на наступному посту тАУ жовте свiтло над червоним, що означаi ВлТихий хiд. Приготуватися до зупинки у наступного постаВ». При цьому потяг, що йшов з малою швидкiстю, повинен вiдразу зменшити ii до мiнiмуму i зупинитися у поста з червоним свiтлом над червоним, що означаi ВлСтопВ». Пiзнiшi удосконалення електричноi сигналiзацii дозволили безперервно вiдображати свiдчення дорожнiх сигнальних пристроiв безпосередньо на табло в кабiнi локомотива, i погоднi умови вже не впливають на здатнiсть машинiста вiрно сприйняти сигнал попереду i негайно вiдреагувати на нього. На деяких дорогах пристрою сигналiзацii в кабiнах локомотивiв доповнюються системами автоматичного управлiння рухом потяги, якi приводять в дiю його гальма, якщо машинiст не встигаi вiдреагувати на сигнал про необхiднiсть зниження швидкостi. Такi засоби автоматики дiють на всiх дiлянках iнтенсивного руху потягiв.

1.2 Елементи залiзницi

Рейка. Майже всi рейки в поперечному перетинi мають тавровий (Т-образний) профiль з плоскою пiдставою, вузькою вертикальною стiнкою i злегка заокругленою по верхнiх краях прямокутною головкою. У розвинених краiнах зварнi рейки замiнили рейки, що ранiше застосовувалися, завдовжки 12 м, що скрiплялися на стиках двоголовними накладками з болтами i гайками. Такi рейки забезпечують безпечнiший рух складiв без вертикального трясiння на стиках; саме стики найшвидше зношувалися, i iх скасування iстотно понизило об'iми ремонтних робiт. Зазвичай мiж шпалою i пiдставою рейки вставляiться сталева пiдкладка, чим забезпечуються те, що мiцнiше скрiпляi рейки з шпалою i зменшення зносу внаслiдок динамiчних ударних навантажень вiд рухомого складу.

Шпали i баласт.
У Захiднiй РДвропi, Японii i iнших мiсцях, де лiсоматерiалiв мало i вони дорогi, шпали зазвичай роблять iз залiзобетону. У США до цих пiр широко застосовуються дерев'янi шпали iз спецiальним просоченням.

Баласт виконуi двояку роль: вiн служить подушкою шляху i дренирующим шаром для вiдведення дощовоi води з полотна. Зазвичай якнайкращим баластом вважаiться щебiнь з твердих скельних порiд, роздроблених на шматки розмiрами близько 5 см, але як баласт можна використовувати також вiдходи гiрничодобувноi промисловостi, гальку, гравiй i iншi подiбнi матерiали.

У результатi верхнiй будовi додаiться деяка пружнiсть, завдяки чому рейковий шлях при русi по ньому потягiв злегка змiщуiться вгору-вниз, подiбно до пружини. Проте на станцiях, в тунелях i на мостах рейковий шлях укладаiться на жорстку пiдставу iз сталi або бетону.

Ширина рейковоi колii.
Ширина колii не одна i та ж всюди. Стандартна колiя шириною 1,435 м прийнята майже скрiзь в Пiвнiчнiй Америцi i на основних залiзничних магiстралях краiн Захiдноi РДвропи. Вона ж характерна для Китаю i багатьох iнших районiв миру. Рiзновиди широкоi колii (з вiдстанню мiж рейками шляху вiд 1,52 до 1,68 м) типовi для республiк колишнього СРСР, Аргентини, Чилi, Фiнляндii, РЖндii, РЖрландii, РЖспанii i Португалii. Шляхи з вужчою колiiю (вiд 0,6 до 1,07 м) звичайнi для Азii, Африки, Пiвденноi Америки, а також для другорядних залiзниць РДвропи, особливо в гористiй мiсцевостi, i дорiг лiсовозiв Росii.

Кривизна шляху i ухили.
Не можна прокласти залiзницю взагалi без поворотiв, спускiв i пiдйомiв, але всi вони знижують ефективнiсть перевезень, бо приводять до обмежень швидкостi, довжини i ваги потягiв i до необхiдностi допомiжноi тяги. У зв'язку з цим при будiвництвi залiзниць зазвичай використовуються всi можливостi для того, щоб зробити дорогу прямо i рiвнiше.

Нахили на бiльшостi залiзничних магiстралей не перевищують 1% (т.б. перепад рiвня полотна дороги 1 м на ii довжинi 100 м) вiд довжини по горизонталi. Нахили, що перевершують 2%, на головних залiзницях зустрiчаються рiдко, хоча в горах бувають i бiльше 3%. Пiдйом в 4% для звичайного локомотива практично неможливий, але з ним легко справляiться локомотив, оснащений колесом з механiзмом зубчатого зачеплення з кремальерою шляху.

Роздiл 2.Обгрунтування та вибiр математичноi моделi руху поiзда

2.1 Дефекти осей колiсних пар

Дефекти, що виникають в осях колiсних пар протягом термiну iх служби, можуть бути класифiкованi по двох групах.

Дефекти першоi групи- виробничi; iх запобiгання досягаiться шляхом вдосконалення технологiчних процесiв i контрольних операцiй на пiдприiмствi-виробнику. Дефекти другоi групи- експлуатацiйнi пошкодження, в основному втомного характеру; запобiгти iм, в принципi, не можна, але можна своiчасно виявляти в процесi огляду iз застосуванням методiв неруйнiвного контролю до того, як вони досягнуть небезпечноi стадii розвитку.

Поiднання профiлактичних заходiв, здiйснюваних в процесi виготовлення i експлуатацii (технiчного обслуговування), до теперiшнього часу в основному забезпечувало безпеку руху. Проте бажання понизити експлуатацiйнi витрати хоч би за рахунок збiльшення мiжремонтних пробiгiв ставить проблеми глибшого вивчення причин виникнення що пiдлягають усуненню дефектiв. Перша проблема стосуiться корозiйних пошкоджень, ефективним способом запобiгання яким i нанесення захисного лакофарбного покриття, друга поверхневих пошкоджень, найчастiше виникаючих унаслiдок ударiв частинок баласту, вiрогiднiсть яких зростаi у мiру зростання швидкостi руху потягiв.

Визначено два напрями вирiшення другоi проблеми. Як одне з них розглядають механiчний захист (прикриття) осей вiд вказаних дiй. Практичнi способи захисту iснують, але вони, з одного боку, утрудняють огляд i технiчне обслуговування осей, з iншого боку, немаi гарантii в тому, що вони надiйнi у випадках особливо сильних точкових ударiв. Отже, викликаi цiкавiсть iнший напрям- вивчення впливу ударiв на цiлiснiсть осi для кращого розумiння закономiрностей розвитку пошкоджень в цiлях його прогнозування i контролю.

Данi дослiдження були присвяченi впливу надрiзiв, що виникають в результатi ударiв частинок баласту, на зародження i розвиток трiщин в металi осi.

Характер ударних навантажень

В процесi численних спостережень пiд мiкроскопом поверхнi осей з надрiзами вiд ударiв частинок баласту встановлена рiзноманiтнiсть конфiгурацiй надрiзiв. Слiди вiд бiльшоi частини ударiв мають вид численних подряпин i вибоiн невеликоi глибини, тодi як вiд iнших, спостережуванi рiдше, - надрiзiв завглибшки до 2 мм складноi форми з гострими кутами. Бiльш того, у випадках найбiльш сильних ударiв виявлявся феномен адiабатичного зрiзу, явища того ж типу, що маi мiсце при випробуваннях броньовоi сталi шляхом обстрiлу з дуже високою швидкiстю (de/dt = 104 ? 105 с-1). Це доводить, що вiсь може пiддаватися таким iнтенсивним ударним навантаженням, в результатi яких вiдбуваються квазiадiабатичнi деформацii.

В ходi спостережень визначено багато параметрiв мiкронадрiзiв, що впливають на характер трiщiноутворення. До цих параметрiв вiдносяться глибина i профiль мiкронадрiзу, вiд яких залежить розподiл напруги, ступiнь холодноi спайки i наявнiсть смуг адiабатичного зрiзу.

В зв'язку з цим цiкаво вiдзначити, що виникнення мiкронадрiзу вiд удару з великою швидкiстю супроводжуiться двома протилежно дiючими ефектами. Холодний наклеп i залишкова напруга стиснення в зонi мiкронадрiзу уповiльнюють розвиток трiщини, а концентрацiя напруги в осi, навпаки, прискорюi його.

Сильнi удари сприяють початку втомного трiщиноутворення, i тому, очевидно, необхiдно знайти вiдповiдь на наступне питання: якщо вiсь пiддаiться ударам i зона ударноi дii не спiвпадаi з мiсцеположенням трiщин, якi можна виявити методами неруйнiвного контролю (дефектоскопii), вживаними при оглядi, чи можна гарантувати безпеку експлуатацii до найближчого заходу на технiчне обслуговування.

Це питання вимагаi глибших знань в трьох наступних аспектах:

В· визначення умов початку виникнення трiщин;

В· оцiнка впливу мiкронадрiзiв на розвиток трiщин;

В· оцiнка темпiв розвитку трiщин з урахуванням того, що реальний термiн служби осей по пробiгу приблизно рiвний трьом циклам технiчного обслуговування i ремонту.

Виникнення трiщин

Виникнення трiщин пiд впливом тривалих навантажень розглядали як результат концентрацii напруги унаслiдок экструзii/iнтрузii смуг постiйного ковзання (Рис. 1).

Рис. 1. Схема утворення iнтрузiй/экструзiй на поверхнi металу

Дослiдження дозволили визначити декiлька стадiй процесу:

В· утворення смуг постiйного ковзання в зернах фериту;

В· поява экструзii/iнтрузii;

В· виникнення уздовж iнтрузiй мiкротрiщин i не зв'язаних мiж собою трiщин невеликоi довжини;

В· розвиток трiщин переважний в зернах фериту уздовж iнтрузiй в кожному зернi або уздовж меж мiж зернами фериту i перлiту.

Розвиток в основному вiдбуваiться пiд кутом 45В° щодо напряму максимальноi напруги вигину.

Потiм, починаючи з певноi довжини, вiдбуваiться злиття коротких трiщин в довгi, якi розвиваються перпендикулярно напряму максимальноi напруги i упоперек зерен перлiту.

Одним iз завдань дослiджень було визначення межi мiж стадiями зародження i розвитку трiщин в сталях, вживаних для виготовлення осей.

Експерименти проводили на вiдшлiфованих випробувальних зразках , на яких зручно вiдстежувати виникнення первинних коротких трiщин i вiдповiдно початку стадii розвитку iх перетворення на довгi з одночасним визначенням глибини трiщин по iх формi.

Спостереження за трiщинами з вимiрюванням iх довжини в ходi дослiджень здiйснювали за допомогою електронного мiкроскопа по методу реплiкацii. Довжину можна спiввiднести з глибиною, визначуваною пiсля шлiфовки в рiзних мiсцях по фронту трiщини. Крiм того, виконуючи мiкроскопiчнi зрiзи, можна вiзуально прослiдкувати еволюцiю орiiнтацii трiщин.

Результати дослiджень дозволили встановити граничну глибину трiщини 300 мкм, пiсля якоi починаiться стадiя розвитку.

Слiд зазначити, що до вказаного значення глибини трiщини практично не пiддаються виявленню засобами дефектоскопii. Отже, можна припустити, що осi, на яких в процесi поточного огляду дефекти не виявленi, все ж таки можуть мати трiщини, що знаходяться на стадii виникнення або на переходi до стадii розвитку.

Вимоги до земляного полотна

Необхiднiсть пiдвищення пропускноi спроможностi залiзничних лiнiй, а також збiльшення частки залiзничного транспорту в перевезеннях пред'являi пiдвищенi вимоги до iнфраструктури i, зокрема, до земляного полотна.

Регламентуючi документи

Проектування, будiвництво i технiчний змiст земляного полотна в Нiмеччинi здiйснюють вiдповiдно до норм DS 836. Геотехнiчнi вимоги в цiй iнструкцii вiдносяться виключно до шляху на баластi, причому вони данi для двох дiапазонiв швидкостi: до 160 км/г i бiльше 160 км/г. Цi вимоги повиннi виконуватися як при реконструкцii тих, що iснують, так i при будiвництвi нових лiнiй на баластнiй пiдставi для швидкiсного руху.

Геотехнiчнi вимоги до земляного полотна безбаластного шляху мiстяться у вiдповiдному каталозi, який i доповненням до DS 836. На Державних залiзницях Нiмеччини (DBAG) крiм цього введенi додатковi технiчнi умови i рекомендацii по виконанню земляних робiт.

Вимоги, обумовленi динамiчними навантаженнями

На земляне полотно i розташований пiд ним грунт дiють статичнi i динамiчнi навантаження. Вплив статичних навантажень вiдомий; динамiчнi навантаження, що викликають значну додаткову напругу в земляному полотнi i грунтi, залежать вiд рiзних чинникiв, а саме: вiд вигляду i технiчного стану верхньоi будови шляху, виду грунту i його шаруватостi, типу рухомого складу i його стану, швидкостi руху потягiв i т.п.

При швидкостi руху 100 км/г напруга, викликана динамiчними навантаженнями, невелика, якщо шлях i пересувний склад не мають iстотних дефектiв. У дiапазонi швидкостi 100 - 160 км/г в окремих видах грунтiв вже можуть виникати значнi деформацii, що пiдтверджуiться досвiдом експлуатацii. При швидкостi бiльше 160 км/г динамiчна напруга досягаi значень, якi необхiдно враховувати для грунтiв всiх видiв.

Результати вимiрювань показують, що стискуюча напруга в безбалластном шляху значно нижча, нiж в дорозi на щебеневому баластi (мал. 1).

Вплив швидкостi, тобто частка динамiчноi напруги, в дорозi на баластi виражена значно сильнiше. При швидкостi 300 км/г в земляному полотнi може виникати стискуюча напруга до 100 кН/м2^.

РЖншим, не менш важливим критерiiм i динамiчна стабiльнiсть земляного полотна, що визначаi об'iм робiт по його поточному змiсту (таблиця).

Динамiчна складова навантаження, що враховуiться коефiцiiнтом Kdyn, зростаi з пiдвищенням швидкостi. При 300 км/г вона вища, нiж при 100 км/г, на 30 % в дорозi на жорсткiй пiдставi i на 100 % на баластному.

Таким чином, при високiй швидкостi руху можливiсть застосування шляху на баластi обмежуiться за умовами механiки грунтiв. Одна з причин цього - звуження зони розподiлу стискуючоi напруги пiд шпалами, що неминуче приводить до пiдвищення iх величини. Якщо додаiться ще i високий рiвень грунтових вод, то земляне полотно досить швидко може прийти в стан, близький до критичного.

Геотехнiчнi вимоги

До несучих шарiв земляного полотна пред'являють певнi вимоги вiдносно розмiрiв, виду грунту, його щiльностi i водопроникностi. При цьому завжди слiд вiддавати перевагу земляному полотну i грунту, що володii рiвномiрно розподiленою несучою здатнiстю i щiльнiстю, тим бiльше що iснуi метод проведення земляних робiт з суцiльним динамiчним контролем ущiльнення (FDVK), що дозволяi виявити дефектнi мiсця.

Жорстка пiдстава безбаластного шляху створюi iншi (в порiвняннi з баластним) умови навантаження розташованих пiд ним шарiв грунту. У зв'язку з цим до них пред'являються iншi вимоги, зокрема, потрiбна мiнiмальна деформованiсть. На нових лiнiях, що реконструюються, i вiдмiнностi як в товщинi захисних шарiв, так i у вимогах до несучоi здатностi i щiльностi.

Порiвняння геотехнiчних вимог до баластних i безбаластних шляхiв стосовно нових лiнiй, що реконструюються, показало, що до шляху на жорсткiй пiдставi вимоги значно вищi.

2.2 Дослiдження напруженого стану плями контакту колеса i рейки

Взаiмодiя колеса i рейки i фiзичною основою руху рухомого складу по залiзницях. Вiд параметрiв цiii взаiмодii багато в чому залежать безпека руху i основнi технiко-економiчнi показники господарств шляху i рухомого складу. Так, зокрема, втрати енергii, обумовленi зношуванням в системi колесо-рейка, складають 10% - 30% паливно-енергетичних ресурсiв, що витрачаються на тягу. Крiм того, витрати на реновацiю рейок i колiсних пар складають чималу частину загальних витрат дистанцiй шляху i локомотивних i вагонних депо вiдповiдно. Особливо великi витрати у зв'язку з цими витратами несуть локомотивнi депо, оскiльки за останнi пiвстолiття середнiй термiн служби локомотивноi колiсноi пари iстотно скоротився.

Серед причин, що викликали в 60-х тАУ 80-х роках минулого сторiччя значне зростання iнтенсивностi зношування колiсних пар, слiд зазначити замiну самшитових пiдшипникiв ковзання пiдшипниками кочення, збiльшення довжини i маси потягiв, звуження колii до 1520 мм, введення профiлю рейок (1979г.), що передбачаi двоточковий контакт бандажа з головкою рейки та iншi. Все це в сукупностi призвело до iстотноi змiни навантаження зони контакту, температури i умов змазування в цiй зонi, а також до змiни середньостатистичнiй швидкостi ковзання колеса в поперечному щодо головки рейки напрямi. Результатом цих змiн стало iстотне зростання iнтенсивностi зношування колiс рухомого складу, яке, у свою чергу привело до катастрофiчних результатiв для локомотивного господарства: до кiнця дев'яностих рокiв витрати на реновацiю колiсних пар досягли неприпустимо великих розмiрiв.

На мал. 1. i 2. представленi графiки заповнення мережi залiзниць Росii загартованими рейками [1] i дiаграми структури обточувань колiсних пар по експлуатацiйному парку локомотивiв на мережi залiзниць Росiйськоi Федерацii за 1999 i 2002 рр. [2].

Рис.2 - Заповнення мережi залiзниць Росii загартованими рейками

Рис.3 - Структури обточувань колiсних пар по експлуатацiйному парку

локомотивiв на мережi залiзниць Росiйськоi Федерацii за 1999 i 2002 рр.

З порiвняльного аналiзу дiаграм очевидно, що одночасно iз зростанням питомоi ваги об'iмно загартованих рейок зростаi i частка обточувань по зносу гребеня. Така iнтенсивнiсть зносу викликала зростання експлуатацiйних витрат в локомотивному i вагонному господарствах, пов'язаних з позаплановими обточуваннями колiсних пар, додатковим придбанням нових бандажiв i колiс.

Вiдзначимо, що обточування колiс, досягши товщини гребеня мiнiмального значення, пов'язане iз зрiзом бiльшого об'iму металу (так званий технологiчний знос) з поверхнi катання. Це iстотно скорочуi термiн служби бандажа Рис.4.

Рис.4- Профiль зносу гребеня:

а тАУ профiль зносу 1960 р., б тАУ профiль зносу 1986 р.

З метою зниження iнтенсивностi зношування КП до прийнятних значень останнiми роками проводиться ряд заходiв технiчного i органiзацiйно-технологiчного характеру [3] (полiпшення конструкцii шляху i рухомого складу, вдосконалення геометрii профiлю поверхнi катання КП i рейок, пiдвищення якостi iх металу i т.д.). На жаль жодне з цих заходiв в повному об'iмi проблеми не вирiшило.

Кардинальне рiшення питання може бути знайдене тiльки на базi використання наукових знань в областi взаiмодii пари колесо-рейка. Необхiдне проведення науково обгрунтованоi модернiзацii колiсних пар з одночасною розробкою заходiв, що забезпечують ефективну експлуатацiю i ремонт модернiзованих колiсних пар.

До технологiчних заходiв щодо зниження зносу бандажiв колiсних пар локомотивiв вiдносяться наступнi заходи: дослiдження процесу взаiмодii колеса з рейкою i дiя на чинники, що впливають на швидкiсть зношення бандажа, конструктивнi заходи щодо пiдвищення ресурсу, технологiчнi методи змiцнення бандажiв, зменшення тертя мiж бандажем i рейкою, контроль i прогнозування технiчного стану i iн. (Рис.5.).

Рис.5- Заходи щодо зниження зношення бандажiв колiсних пар

На зносостiйкiсть пари тАЬколесо тАУ рейкатАЭ за даними [4] впливають: твердiсть матерiалу бандажiв, рейки, вмiст вуглецю, структура металiв i вмiст сiрки. Твердiсть металу i одним з найбiльш важливих чинникiв, якi впливають на зношення колiс рухомого складу. Впровадження за останнi десятилiття термiчноi обробки рейок i додання iм твердостi 360 НВ безперечно зiграло важливу роль в полiпшеннi роботи залiзниць. Проте iз змiною твердостi рейок заходiв по пiдвищенню твердостi бандажiв зроблено не було. В результатi вiдношення твердостей сталi к

Вместе с этим смотрят:

Автоматизированная система оперативного управления перевозками

Автоматика и автоматизация на железнодорожном транспорте

Автомобильные дизельные топлива

Автомобильные эксплуатационные материалы

Автомобильный кран