Особенности размещения и поведения колесной пары в рельсовой колее



УДК539.3:4

 

Н.А. Чурков

Петербургский государственный университет путей сообщения

Императора Александра I

 

 

КИНЕМАТИКА КОЛЕСНОЙ ПАРЫ

 

Кинематика колесной пары важнейший процесс, от успешной работы которого зависят перевозки на железных дорогах и их безопасность. Многие исходные причины объяснения этого процесса ушли в прошлое и он уже развивается в своем направлении, отличном от  истинного выбранного решения. Так произошло и с колесной парой, движущейся в рельсовой колее. Создание колесной пары можно признать за величайшее открытие в механике. С ее использованием удалось достаточно простыми средствами решить проблему вписывания экипажей в кривые участки пути.

 

Введение

Здесь  мы будем говорить не обо всех аспектах этого сложного процесса, а остановимся только на одном – о влиянии разбега колесной пары 2(s – d) (рис.1)  на динамику движения.

 

Ходовые части вагонов и их взаимодействие

 Тематика данной статьи относится к трехэлементным тележкам грузовых вагонов с одинарным центральным подвешиванием (ЦНИИ – Х3), являющихся базой для железнодорожного подвижного состава России.

Ниже приведенные сведения не являются оригинальными, но они необхо-димы для понимания физических процессов взаимодействия, так как многие новейшие ее преобразования упускают её важные существенные моменты.

Колесные пары соединяются с буксами для преобразования ее вращательного движения в поступательное движение вагона.

Для минимизации трения в соединении используются подшипники (правильнее говорить надшипники). Раньше они основывались на трении скольжения, сейчас, - на трении качения.

Подшипники скольжения устанавливались на верхнюю часть шейки оси свободно с зазорами. Они обеспечивали различные перемещения (продольные и вращательные (по оси), вращательные относительно вертикали и оси движения), а также другие эволюции, допускающие его самоустановку в зависимости от загружения и условий движения.

На подшипник укладывался вкладыш; специальной формой и весом он фиксировался внутри корпуса буксы. При обезгруживании буксы подшипник и вкладыш легко удалялись.

 

В силу до конца не объясненных причин от подшипников скольжения отказались и перешли, затратив на это более 9 млрд. руб. (1$ = 0,56 коп.) на подшипники качения[1].

Если подшипник скольжения своей рабочей поверхностью охватывал только верхнюю четверть шейки (и этого было достаточно), то подшипник качения выполняется в виде многослойного тора из наружного и внутреннего колес, сепаратора с телами вращения. Обычно внутреннее кольцо с сепаратором и телами вращения выполняются неразборными и закрепляются на шейке оси неподвижно (прессовой или тепловой посадками), а наружное кольцо устанавливается в корпусе буксы (чаще всего на скользящей посадке), надвигается на шейку и закрепляется таким образом, чтобы исключались взаимные перемещения колесной пары и буксы (кроме вращения). Поэтому все эволюции, которые совершает колесная пара при движение в точности повторяет и такая букса: она перемещается в продольной плоскости из-за разбега колесной пары, отклоняется от горизонтального положения вследствие изгиба оси под расчетной нагрузкой и от радиального – из-за виляния колесной пары. Эти перемещения или купируются необходимыми зазорами в соединении, или должны учитываться в силовом нагружении. В противном случае они передаются на боковину рамы тележки или на рельсы.

Боковины тележки соединяются поперечной надрессорной балкой, которая по краям опирается на рессорные комплекты центрального подвешивания, размещенные в боковинах. Она является опорой для кузова: в центральной части через подпятник и пятник и сбоку – через скользуны.

 Отличительной особенностью этой тележки является то, она представляет собой составную конструкцию в виде подвижного разборного соединения, удерживающего и ограничивающего перемещения элементов за счет сил тяжести, трения между ними, а также выбором специальных форм, устройством уступов, буртиков, пазов, упоров и пр. При обезгруживании тележка легко разбирается на составные элементы. Такое соединение обеспечивало создателям самоустановку тележки на различные режимы загружения во время движения. 

Особенности размещения и поведения колесной пары в рельсовой колее

Для перемещения вагонов используются колеса, катящиеся по рельсам. Они объединены в колесные пары и помещаются "внутри рельсовой колеи". Качение происходит за счет разбега колесной пары. Поверхность опирания колес на рельсы выполняется конической. Она обеспечивает поперечное маятниковое перемещение колесной пары, которое необходимо для движения по кривым участкам пути. Внутренняя часть поверхности катания колеса оканчивается выступом, ребордой. В 1776 году её предложил использовать для предотвращения соскальзывания колес с рельсов Уильям Джессоп. 

Рассмотрим движение колесной пары в кривой на примере качения двойного конуса (рис.1). Он, вращаясь, и поступательно перемещаясь вдоль оси пути, под воздействием центробежной силы смещается поперек рельсовой колеи в сторону наружного (левого) рельса. За счет конической формы поверхности качения

 

Рис.1. Положение двойного конуса (колесной пары) в рельсовой колее (сплошным контуром представлено центрированное положение колесной пары в прямой, пунктирным – предельное положение колесной пары в правой кривой, но без контакта гребня колеса с рельсом). Обозначено: О – положение центра тяжести (ЦТ) колесной пары в центрированном положении; О1 – положение ЦТ max смещенной влево колесной пары в правой кривой; D0 – диаметр колеса по кругу катания центрированной колесной пары; D1 и D2 – соответственно min и max диаметры опирания колес на рельсы смещенной в кривой колесной пары; 2s – расстояние между кругами катания колес; 2(s – d) – разбег колесной пары (2d – расстояние между гребнями колес); γ - угол поперечного смещения колесной пары в кривой; α – угол бокового наклона колесной пары в кривой

 

наружное колесо при  достижении нужного смещения будет опираться на рельс большим диаметром D2, чем внутреннее D1 . В результате оно будет пробегать больший путь. Колесная пара при этом будет занимать необходимое нам радиальное положение. При выходе из кривой центробежная сила исчезает и за счет двойного  конуса колес, колесная пара возвращается "внутрь колеи"; разница между диаметрами опирания колес на рельсы сокращается (D1 ≈ D2 ≈ D0), и они будут стремиться пробегать  одинаковый путь.

Нормальным признается такой процесс, если он происходит только за счет трения качения (его мы и рассматриваем). Он достигается, если оптимизирован радиус кривой, уклон поверхности качения, ее ширина, разбег колесной пары и нет контакта между гребнем и головкой рельса. В противном случае к трению качения добавляется трение скольжения, возникает боковое взаимодействие между гребнем колесной пары и головкой рельса - процесс усложняется и становится энергетически более напряженным. Поэтому его стараются избегать, так как при известных условиях он начинает влиять на безопасность движения.

Разбег колесной пары 2(s – d)  нам необходим, так как за счет зазоров он управляет процессом движения. Можно, конечно, создать для этого специальные системы (и они есть, например, в тележках с радиальной установкой колесных пар), однако они пока сложны. Пассивное управление надежнее и проще. Для этого за колесной парой нужно признать некоторую свободу движения в поперечной плоскости – обеспечивать разбег.

При этом колесная пара, как связанный элемент совершает согласованные движения: её центр тяжести смещается относительно центрального положения (± О-О1); она разворачивается относительно вертикальной оси (± β, где β – угол поворота оси колесной пары относительно вертикали), подобно походке человека, занимает радиальное положение; поворачивается относительно продольной оси движения (± γ); циклически изгибается от нагружения на шейки, наклоняется (± α) - все это совершается при изменении местоположения поверхности нагружения и отклонении его от соосного. Дополнительно к этому добавляются усилия взаимодействия гребня колесной пары и рельса. Вот такой "букет" эволюций совершает колесная пара. Разумеется, это рафинированная кинематика процесса, на самом деле она сложнее. Некоторыми частями ее  при известных условиях можно игнорировать, но в целом, самим процессом свободного размещения колесной пары в рельсовой колее и его влиянием пренебрегать нельзя.

Нагружение колесной пары также непростое. Традиционная колесная пара представляет собой двухконсольную балку, опирающуюся на рельсы. На консоли, шипы, шейки передается нагрузка от расположенных на них подшипников. Затем в виде изгибающего момента и вертикальной сжимающей силы она переходит на диск колеса, который наклонен по отношению к вертикали и выполнен в виде "суповой тарелки" [1]. От поверхности катания нагрузки передаются на рельсы, установленные на подкладки с наклоном 1:20 внутрь рельсовой колеи, а от них – вертикально на шпалы и далее на верхнее строение пути.

Вот, приблизительно, такое сложное кинематически напряженное состояние испытывает обычная колесная пара в рельсовой колее.    

 


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 919; Мы поможем в написании вашей работы!






Мы поможем в написании ваших работ!