Уменьшение износа колес и рельсов

Постановка задачи

В последние 10 лет достигнуты значительные успехи в уменьшении износа колес и рельсов в кривых за счет применения тележек с радиальной установкой колесных пар (далее- радиальных тележек). Однако износ колес и рельсов в прямых практически не изменился.

Как полагают специалисты железных дорог Индии, уменьшение износа при радиальных тележках объясняется в основном применением колес с увеличенной конусностью поверхности катания, а не эффектом радиальной установки колесных пар. Альтернативным решением было бы уменьшение кинетической энергии, передаваемой колесным парам от кузова, путем создания более упругих связей между ними с усиленным демпфированием колебаний.

На железных дорогах Индии создано экспериментальное рессорное подвешивание с требуемыми характеристиками, использование которого существенно уменьшает износ, но проблема полной изоляции колесных пар от воздействия колебаний виляния кузова остается нерешенной.

На железных дорогах Европы попытки уменьшения износа за счет применения радиальных тележек были не вполне успешными: испытания показали, что в таких тележках темп снятия металла с поверхности катания колес по результатам 60 тыс. км пробега снизился весьма незначительно: до 7,8 мм по сравнению с 7,92 мм в стандартных тележках МСЖД и 7,98 мм в тележках типа DB-65 железных дорог Германии.

Подобным же образом, как сообщалось в отчете Ассоциации американских железных дорог по экспериментальной программе TDOP, не дало ожидаемых результатов применение жестких эластомерных прокладок. В то же время железным дорогам ЮАР удалось значительно уменьшить износ колес и рельсов путем обработки рельсов способом наклепа, увеличения конусности поверхности катания колес и оснащения вагонов тележками типа Scheffel. Но конструкция этих тележек разрабатывалась преимущественно для улучшения вписывания в кривые, а ходовым характеристикам при движении по прямой было уделено меньше внимания, хотя линии, на которых эксплуатируется подвижной состав, имеют в основном прямолинейную трассу. На железных дорогах Австралии ограниченный успех в данном направлении был достигнут благодаря особо тщательному содержанию пути в плане, но это имело место лишь на отдельных линиях ограниченной длины, и распространить этот опыт на всю сеть представляется затруднительным.

Отсутствие заметного прогресса в решении проблемы износа колес и рельсов можно объяснить тем, что исследованиям данного вопроса, выполненным в свое время Шеффелем (Scheffel) и Виккенсом (Wickens), не выдвинуто какой-либо альтернативы. После того как было установлено, что эффект от увеличения конусности поверхности катания колес прекращается по достижении некоей критической скорости, Шеффель математически обосновал, что величину этой критической скорости можно увеличить, если две колесные пары в тележке соединить по диагонали посредством упругих связей в противоположность их жесткой установке в обычных тележках типа Bissel.

Была спроектирована тележка, в которой колесные пары в кривых устанавливаются по радиусу. В прямых упругое диагональное соединение колесных пар обеспечивает тележке устойчивость при скорости большей, чем в случае трехэлементной тележки.

В то время (25 лет назад) еще не вошло в практику массовое движение тяжеловесных грузовых поездов с относительно высокой скоростью, особенно на линиях со смешанным движением, из-за ограничений по тормозам и других. Поэтому к разработке тележек с радиальной установкой колесных пар в кривых для уменьшения износа колес и рельсов приступили только в конце 1970-х годов.

Однако главным фактором, определяющим достижение уменьшения износа, в частности, гребней колес, в таких тележках на железных дорогах ЮАР и некоторых других стран оставалась бóльшая конусность изношенного профиля поверхности катания, которая вынуждала колесо благодаря его увеличенному диаметру разворачиваться в сторону от рельса еще до момента вхождения в ударный контакт с ним.

Это положительное свойство можно было бы распространить повсеместно принятием изношенного профиля для всех колес тележек любой конструкции. Уменьшение доли колес с гребнем утоненным или имеющим остроконечный накат и, соответственно, увеличение доли колес с прокатом в результате введения изношенного профиля колес, зарегистрированное на Мугал-Сарайской линии железных дорог Индии, проиллюстрировано на рисунке.

Результаты введения изношенного профиля колес

Увеличение доли колес с прокатом относится на счет возрастания центрирующих сил у колес с увеличенной конусностью. Смещение колеса, требующееся для его установки по радиусу, оценивается в 2- 3 мм. При движении с низкой скоростью даже в обычных тележках колеса могут занимать радиальное положение благодаря продольному зазору в буксовом узле. В то же время эксперименты на прямом пути в Канаде показали, что внедрение радиальных тележек приводило к увеличению износа рельсов и расхода топлива на тягу поездов.

Так что основным достоинством радиальных тележек является повышение критической скорости, а не уменьшение износа.

Износ колес с образованием остроконечного наката гребней у тележек с двухступенчатым рессорным подвешиванием традиционно приписывается повторяющимся ударным нагрузкам на гребень, обусловленным вилянием тележки в прямых участках пути. Поэтому разработчики тележек сосредоточились на повышении критической скорости для устранения виляния. Однако, помимо определения критической скорости математическими расчетами и некоторых лабораторных экспериментов, не было сколько-нибудь представительных ходовых испытаний в эксплуатационных условиях, направленных на выяснение истинных причин виляния таких тележек. Не проводились также испытания, подтверждающие, что причиной быстрого износа колес в тележках с двухступенчатым рессорным подвешиванием является именно виляние.

Частные решения проблемы

Вместе с тем на практике было применено несколько частных решений, направленных на повышение критической скорости подвижного состава по вилянию без изменения его основных параметров. Ниже приведены некоторые соображения по этому поводу.

На железных дорогах США виляние не считается серьезной проблемой для тележек грузовых вагонов с двухступенчатым рессорным подвешиванием, в которых используются подшипники скольжения. Подобным же образом виляние не считалось проблемой для пассажирских вагонов старой постройки или паровозов, несмотря на их примитивное рессорное подвешивание. После внедрения подшипников качения проблема виляния тележек с двухступенчатым рессорным подвешиванием возникла, как полагают, из-за увеличения жесткости установки колесных пар в поперечном направлении.

На железных дорогах Индии критическая скорость локомотивов серии WDM2 постройки компании Alco была увеличена со 120 до 140 км/ч благодаря введению резиновых прокладок, устанавливаемых в корпуса букс на торцы осей. Кроме того, этим были уменьшены почти в 2 раза поперечные силы. Подобное решение было принято на некоторых типах локомотивов железных дорог Германии. Следует отметить, что такой способ повышения критической скорости в ходе математического анализа устойчивости движения экипажей спрогнозирован не был.

На железных дорогах Индии у тележек типа МСЖД, подобных тележкам DB-65, с рессорными серьгами длиной 332 мм и вакуумными тормозами наблюдался малый износ колес даже на участках с кривыми малого радиуса. В ходе выполнения исследовательской программы на этих же участках испытывались тележки девяти современных типов, но ни у одной из них срок службы колес по износу не достигал и 50 % имевшего место у старых тележек МСЖД с колесами того же профиля.

Несмотря на строгие допуски на геометрические параметры букс в продольном и поперечном направлениях, двухосные вагоны с буксовыми подшипниками как скольжения, так и качения с короткими рессорными серьгами в ходе испытаний на железных дорогах Индии не выказывали признаков виляния при движении со скоростью до 65 км/ч. В то же время большой износ гребней колес тележек с двухступенчатым рессорным подвешиванием обычно приписывается вилянию даже при скорости 50- 60км/ч. Причиной этого может быть ограниченное поперечное перемещение колес, обусловленное перекашиванием верхнего листа рессоры и другими факторами, такими, как зазоры у пальцев рессорных серег.

Эти примеры показывают необходимость создания альтернативной теории повышенного износа колес и виляния тележек с двухступенчатым рессорным подвешиванием на базе эмпирического анализа систем рессорного подвешивания, обладающих удовлетворительными характеристиками. Эта теория может быть приемлема и для тележек с одноступенчатым рессорным подвешиванием.

Одна такая теория разработана в Индии с использованием подхода, предполагающего регулируемое распределение энергии.

Согласно этой теории повышенный износ колес и рельсов является следствием обусловленного трением рассеяния избыточной энергии во взаимодействии в системе колесо- рельс. Если подвод энергии к колесу уменьшить, это автоматически приведет к уменьшению износа. Поглощение энергии можно также передать из зоны взаимодействия колеса с рельсом на другие, заведомо предназначенные для износа поверхности определенных, легко заменяемых деталей тележки.

Максимальное поглощение бесполезной энергии во взаимодействии колеса с рельсом обусловливается поперечным проскальзыванием (крипом) колеса по рельсу. Однако поглощение энергии можно уменьшить при том же поперечном смещении колеса путем уменьшения конусности поверхности катания колеса, которая действует как клин, препятствующий поперечному смещению.

Для уменьшения возрастающего износа гребней к колесным парам со стороны рамы тележки может быть приложена соразмерная восстанавливающая сила обратного направления. Эта сила отводит колесо от рельса еще до соприкосновения гребня с рельсом и перемещает износ из зоны взаимодействия колеса с рельсом в механизм создания восстанавливающей силы.

Уменьшение конусности приводит к увеличению свободного поперечного перемещения колеса на прямом пути. Это способствует более равномерному распределению износа по поверхности катания колеса, что в настоящее время достигается на железных дорогах ЮАР путем обработки наклепом.

Когда колесная пара получает свободу поперечного перемещения, изменение конусности происходит не столь быстро, и износ поверхности катания колес тележек с двухступенчатым рессорным подвешиванием становится таким же, как в тележках с одноступенчатым подвешиванием.

Для уменьшения сил на гребне важно изолировать друг от друга инерционные массы кузова и тележек подвижного состава во время контакта гребня с рельсом. В таком случае износ будет не так велик даже при увеличении продолжительности и частоты контакта.

Износ гребня уменьшается даже при двухточечном контакте гребня с рельсом, что имеет место в кривых. Это подтверждено эксплуатацией крытых вагонов, оснащенных стандартными тележками типа МСЖД (DB-65), на железной дороге Konkan в Индии.

Таким образом, между колесными парами и кузовом необходимо наличие самовосстанавливающейся упругой поперечной связи.

Еще одним источником энергии, которая обусловливает износ колес, является продольное движение подергивания кузова, вызываемое попеременным сжатием и растяжением пружин в ударно-тяговых приборах. В рессорном подвешивании старых двухосных вагонов это движение обладающего высокой инерцией кузова не передается на колесные пары, так как малые вращательные смещения рессорных серег могут поглощать его. В тележках же с двухступенчатым рессорным подвешиванием энергия такого движения поглощается в процессе взаимодействия колес с рельсами.

В общем силовом спектре величина сил в процессе указанного движения оценивается в 20 % вертикальной нагрузки. Подобным же образом и энергия движения галопирования кузова при тележках с двухступенчатым рессорным подвешиванием частично поглощается в процессе взаимодействия колес с рельсами.

Контактная деформация

В вертикальном направлении энергия поглощается в процессе взаимодействия колес с рельсами за счет контактной деформации. Основным фактором такой деформации, остающимся практически постоянным, является осевая нагрузка. Однако иные действующие факторы можно изменять в желаемом направлении путем сведения к возможному минимуму воздействия неподрессоренных масс. Это достигается за счет применения усовершенствованного рессорного подвешивания и колес с промежуточными упругими элементами, установки между рельсами и железобетонными шпалами упругих резиновых прокладок увеличенной толщины для уменьшения влияния высокочастотных ударных нагрузок от колес на путь и упругих прокладок между буксами и рамой тележки, а также использования рельсовых и колесных сталей более высокого качества, обладающих повышенной сопротивляемостью износу и повреждениям усталостного характера.

При проектировании рессорного подвешивания следует отделить источники накопления кинетической энергии масс кузова и тележек от колесных пар и допустить определенную свободу поперечных перемещений колесных пар.

Конкретное решение

Одним из путей частичной реализации такого разделения является применение оригинального устройства в виде двухреберного клина, устанавливаемого на тележках индийской разработки. При наличии такого устройства под буксовой челюстью жесткая связь между боковинами рамы тележки преобразуется в допускающую некоторое взаимное смещение, т. е. образуется нечто вроде люлечной подвески. По сравнению с радиальными в тележках с указанным устройством износ гребней колес и рельсов больше, но поверхности катания меньше. Однако таким образом можно уменьшить только величину поперечных сил, вызываемых ударной нагрузкой от кузова на колеса при контакте гребня с рельсом. Свобода поперечного перемещения колесных пар при этом не достигается и восстанавливающая сила не создается. В порядке эксперимента между двумя вогнутыми поверхностями над подшипниковым адаптером был установлен эллиптический ролик, чтобы преодолеть указанный недостаток и дать отдельным колесным парам свободу поперечного перемещения.

С помощью устройства можно не только изолировать колесные пары от кузова в движениях поперечном и галопирования, но и создать значительные демпфирующую и восстанавливающую силы. При испытаниях устройство эффективно контролировало уровень поперечной силы и износ поверхности катания, а также уменьшало поперечное ускорение и износ гребня. По сравнению с трехэлементной тележкой число пиковых значений ускорения, превышающих 0,2 g, уменьшилось со 141 до 20 на 1 км пути. Износ гребня и поверхности катания у одного из вагонов, за которым следили в течение года, существенно уменьшился, а видеофильм, снятый в движении, показал, что виляние практически отсутствовало.

Устройство может также контролировать поворот колесных пар вокруг вертикальной оси, если он не слишком велик, и позволяет колесным парам занимать радиальное положение в кривых. Однако оно не столь эффективно, как рессорные серьги, с точки зрения движения подергивания кузовов подвижного состава при сжатии и растяжении пружин ударно-тяговых приборов и неспособно восстанавливать центральное положение колесных пар после торможения.

Значителен также износ балансиров. Использование упругих эластомерных прокладок в сочетании с балансирным устройством типа Brahman помогает устранить это затруднение, но еще не проведены дополнительные ходовые испытания для подтверждения приемлемости этого технического решения.

R. Upadhyay. International Railway Journal, 2000, N 7, р. 33- 34.