Повышение тягового усилия шахтных локомотивов при футеровке колес пластмассой

Шеперс В. Повышение тяговой способности рудничных локомотивов при футеровании колес пластмассой // Глюкауф.— 1986,— № 6.— С. 38—43.

История практического применения футерованных резиной колес локомотивов

Первый документально подтвержденный случай использования автомобильных покрышек на же­лезнодорожном транспорте относится к 1908 г. На участке частной горной железной дороги Роршах — Хайден (Швейцария) со средним уклоном 7 % фирма «А. Зауэр» испытала переоборудованный для движения по рельсам легковой автомобиль с двигателем мощностью 36,8 кВт. Испытания долж­ны были показать, можно ли за счет более высо­кого коэффициента сцепления колес с автомобиль­ными покрышками повысить скорость движения по этому участку. При использовании обычных колес и паровой тяги средняя скорость движения состав­ляла здесь 9, а при электрической тяге— 12,8 км/ч. Автолокомотив фирмы «Зауэр» проходил участок со средней скоростью 36 км/ч [3].

Во Франции идея использовать пневмошины на рельсовом транспорте впервые возникла в 1927 г. Целью разработок, проводившихся фабрикантом покрышек А. Михелиным, было повышение комфор­та пассажирских перевозок за счет снижения ти­пичного шума железнодорожных колес. После двух лет лабораторных и испытательных работ был соз­дан экспериментальный автомобиль Михелннаю. Он представлял собой двухосную дрезину на основе автомобиля Рено с двигателем мощно­стью 28 кВт.

Разработки рельсовых транспортных средств с пневмошинами А. Михелин последовательно про­должал до 1942 г.; в этом году его эксперимен­тальный поезд с электрической тягой был опробо­ван на пригородных линиях Парижа. По сравне­нию с использовавшимися тогда обычными локо­мотивами экспериментальный локомотив имел за счет более высокого коэффициента сцепления мень­шее время разгона. Средняя скорость движения и потребление энергии были одинаковыми для обоих типов поездов. На первых образцах локомотивов А. Михелнна использовались стандартные пневмопокрышки с текстильными вкладками. При малой ширине' го­ловки рельса максимальная нагрузка на них со­ставляла всего 6500 Н. Только с разработкой металлокордовых покрышек нагрузку удалось увели­чить до 12 500 Н [4]. В 1960 г. на английской угольной шахте «Ли Холл» были опробованы первые шахтные локомо­тивы «Пони» с пневмошинами. Для шахты требо­вался малый локомотив, который позволил бы до­ставлять не слишком большие партии материалов к участкам при максимальном уклоне выработок 10%. Фирма «Клэйтон» решила эту задачу, обо­рудовав обыкновенный аккумуляторный электровоз массой 3,5 т колесами с пневмошинами. Этот ло­комотив с двигателем мощностью 12,8 кВт разви­вает максимальное тангенциальное усилие на ко­лесе, достигающее 17,8 кН, что соответствует ко­эффициенту сцепления около 0,5. В 1982 г. экс­плуатировалось более 100 таких локомотивов. В 1981 г. была разработана еще одна конструкция шахтного локомотива с пневмошинами, оснащен­ного дизельным двигателем мощностью 26 кВт и гидростатическим редуктором [5].

Колесо с пластмассовой футеровкой

Для повышения тягового усилия шахтного локомо­тива существуют две возможности — повышение массы локомотива и увеличение коэффициента сцепления между колесом и рельсом. В настоящее время на локомотивах используются стальные ко­леса с максимальной нагрузкой около 50 кН. В под­земных условиях коэффициент сцепления таких ко­лес составляет 0,17 [2]. Футеровка колес резиной позволяет повысить коэффициент сцепления до 0,5, но при этом допустимая нагрузка на колесо сни­жается до 9 кН [5]. При обычной на подземном рельсовом транспор­те скорости транспортирования, составляющей 4— 6 м/с, и допустимой нагрузке на колесо 50 кН, ог­раниченной конструкцией нижнего строения пути и используемыми рельсами, может оказаться целе­сообразным использовать другие материалы в паре трения. По этой причине были начаты исследования ко­лес с футеровкой из пластмассы, допустимая на­грузка на которую составляет 25 кН, а коэффици­ент сцепления выше, чем для пары сталь по стали. Такие колеса изготавливаются из обычных сталь­ных колес, соответствующих стандарту ДИН 20 601 «Бандажи для шахтных локомотивов» с диаметром круга катания 550 мм. Стальной бандаж стачива­ется до диаметра 480 мм и футеруется материалом вулколлан. Слой пластмассы толщиной 30 мм на­носят методом вулканизации на стальное кольцо толщиной 9 мм, которое напрессовывается на сто­ченный бандаж колеса. Таким образом, диаметр круга катания такого колеса составляет 558 мм. Футеровка имеет трапециевидное поперечное сече­ние к воздействию минеральных масел, смазки, бензина и различных растворителей, мало впиты­вает воду и устойчив к деформации. Срок службы футерованных вулколланом колес при их примене­нии в составах с малой скоростью хода, что харак­терно для большегрузных поездов, значительно вы­ше, чем у колес с пневмо- или цельнорезиновыми шинами [6].

Для материала, используемого в качестве шин или бандажей колес, наряду с определенными фи­зическими свойствами важна высокая износостой­кость, обеспечивающая длительный срок службы. Высокая износостойкость достигается в материале вулколлан за счет комбинации высоких прочности и сопротивления надрыву с достаточной эластич­ностью. Из-за сильной зависимости физических свойств материала от температуры износостойкость проявляется лишь в ограниченном диапазоне тем­ператур с верхним пределом 90 °С. При оценке сро­ка службы подверженной сильному износу вулколлановой футеровки следует учитывать температуру, которая может возникнуть под действием сил внут­реннего или внешнего трения, а также условий окружающей среды. Кроме того, важную роль иг­рает наличие или отсутствие смазывающей жидко­сти при трении [7]. При определении износа в соответствии со стан­дартом ДИН 53 516 «Испытания каучуков и элас­томеров; определение износа» в качестве эталоне в паре трения используется шлифовальная бумага определенной зернистости. В этих условиях вулкол­лан имеет в 6—7 раз больший износ по сравнению с машиностроительной сталью. По отношению к износостойким каучукам потери объема у вулколлана составляют лишь 20—40%. При мокром тре­нии, когда между вулколланом и эталоном в паре трения имеется смазывающее вещество, например вода или масло, вулколлан имеет наилучшие ха­рактеристики из всех известных в настоящее время износостойких материалов [7]. В настоящее время вулколлановая футеровка ис­пользуется на приводных колесах подвесных моно­рельсовых дорог с автономной тягой. При высоком качестве изготовления футеровки и достаточной приработке колес их срок службы доходит до 2000 ч [9].

Определение коэффициента сцепления

Экспериментальные исследования футерованных пластмассой колес проводили на специальном стен­де, состоящем из колеса с системой привода и «бес конечного рельса» с тормозом. Для привода колеса использован двигатель по Стоянного тока номинальной мощностью 45 кВт, Для торможения «бесконечного рельса» — электродвигатель постоянного тока. Момент привода на Колесе MR и тормозной момент Ms на колeсе определяют. На рис. 1 показаны силы, действующие в точке соприкосновения колеса с рельсом. Вращающий момент привода Мя обусловливает возникновение в точке соприкосновения усилия тяги FR. Этому усилию противодействуют тангенциальное усилие FT, вызываемое тормозящим моментом Ms, сила трения в подшипниках FL и усилие сопротивле­ния качению Fw. Действующее на колесо нормаль­ное усиление FK определяют динамометрическим устройством. Условия эксплуатации, характерные для подземных выработок, не могут быть полно­стью воспроизведены на стенде. Поэтому имитиро­вались условия с однозначными и воспроизводимы­ми характеристиками. Исследовались случаи сухо­го трения и трения по смоченной поверхности «бес­конечного рельса». Как известно, в подъемных условиях нельзя встретить сухие и идеально гладкие рельсы. Не имеется там и чистых смоченных рельсов. При из­мерениях в шахтах исходят из того, что на сухих или смоченных рельсах всегда находится слой угольной или породной пыли.

Рис. 1. Силы и моменты сил в системе колесо с пластмассой футеровкой — бесконечный рельс»:

А — футерованное пластмассой колесо; В —бесконечный рельс»; 1—нормальное усилие; 2 —усилие тяги; 3 — сила трения в подшипниках; 4 — момент привода; 5 — сопротивле­ние качению; 6 - тангенциальное усилие; 7 — тормозящий момент

Таким образом, результаты представленных ни­же измерений дают максимальные из возможных величин коэффициента сцепления при сухом рель­се и минимальные — при смоченном при различных скоростях и нормальных усилиях. Поэтому можно предполагать, что измерения в подземных условиях должны дать значения этого коэффициента, лежа­щие в диапазоне величин, полученных на стенде.

Изучение пластмассовой футеровки при сухом трении

Данная серия экспериментов проводилась при су­хом шлифованном «бесконечном рельсе». Сначала футерованное пластмассой колесо обкатывали в течение примерно 1,5 ч без передачи тангенциаль­ного усилия при заданном нормальном усилии Fs и скорости vR до тех пор, пока футеровка не на­гревалась до характерной для выбранной величи­ны нагрузки температуры. Качение без передачи тангенциального усилия обеспечивалось тем, что электродвигатель «бесконечного рельса» работал в двигательном режиме и компенсировал потерю мощности на подшипниках и редукторе. После стижения постоянной температуры приступали к повышению тормозящего момента на «бесконечном рельсе», что вызывало увеличение передаваемого тангенциального усилия FT. Повышение тормозя­щего момента приводит к снижению частоты вра­щения электродвигателя «бесконечного рельса», а следовательно, и частоты вращения самого рельса.

Рис. 2. Кривые зависимости коэффициента сцеплении (от проскальзывания s при сухом трении для различных нормальных усилий FK при скорости V=4 м/с (величины нормаль­ных усилий в ньютонах приведены у соответствующих кривых)

Сразу после установки тормозящего момента проводили регистрацию измеряемых параметров, процесс многократно повторяли до достижения максимального передаваемого тангенциального усилия. После превышения максимальной величи­ны коэффициента сцепления передаваемое танген­циальное усилие снижалось при дальнейшем умень­шении частоты вращения «бесконечного рельса». Из-за сильного износа, вызванного прежде всего значительным проскальзыванием, серия измерений была прервана после достижения максимальной величины коэффициента сцепления. Серия измере­ний была проведена при нормальных усилиях FK от 5 до 25 кН и скоростях от 1 до 4 м/с.

При качении без передачи тангенциального уси­лия уравнение (3) дает отрицательное значение проскальзывания. Для того чтобы исключить воз­действие изменения формы, а следовательно, и тан­генциальных краевых деформаций при качении без передачи тангенциального усилия возникающее при этом проскальзывание приравнивается к нулю. Представленное на рис. 3 проскальзывание s со­ответствует, таким образом, доле, обусловленной проскальзыванием скольжения, т. е. относительным смещением тел в паре трения.

Находящаяся на поверхности рельса водяная пленка вытесняется под действием нормального усилия. В конечном счете это приводит к возникно­вению контакта между колесом и рельсом. Если пластмассовая футеровка не в состоянии вытеснить пленку, то колесо «всплывает». Возникает гидро­динамическая пленка, как, например, в подшипни­ках скольжения. Если пластмассовая футеровка не касается рельса, то можно говорить об эффекте аквапланироваиня. Возникновение эффекта аквапланирования зависит от количества воды и ско­рости [19]. При малых скоростях этот процесс вы­теснения возникает значительно раньше, а площадь контакта колеса с рельсом выше. Соответственно возрастает максимальное значение коэффициента сцепления.

Возможности использования футерованных колес на шахтных локомотивах

Обыкновенное стальное колесо локомотива, без сомнения, предпочтительнее футерованного пласт­массой с точки зрения максимально допустимого нормального усилия, износостойкости при сухом трении скольжения, а следовательно, и большего срока службы. Однако при трении смоченных по­верхностей износ исследовавшегося материала (вулколлан) был ниже, чем у стали St 37.

Так как на подземных горных работах из-за вы­сокой относительной влажности воздуха и водопротоков из породного массива рабочая поверхность рельсового пути очень редко бывает сухой, то при работе в подземных условиях можно исходить из предпосылки, что износостойкость вулколлана со­ответствует предъявляемым требованиям. Это, кро­ме того, подтверждается тем фактом, что футерованные вулколланом фрикционные колеса используемых в горной промышленности локомотивов подвесных монорельсовых дорог имеют срок служ­бы около 2000 ч [10].

Сцепление между стальным колесом и рельсом было предметом большого количества исследова­тельских работ. Если в более ранних публикациях определяли преимущественно зависимость коэффи­циента сцепления от скорости, то в более поздних работах как существенный фактор влияния рас­сматривалось проскальзывание. В своей работе Ф. Фредерих [20] показал, что сколько-нибудь за­метное влияние скорости движения на зависимость сцепления от проскальзывания при сухом трении отсутствует. Полученная на разработанном Ф. Фредерихом испытательном стенде максимальная ве­личина коэффициента сцепления для сухого тре­ния при нормальном усилии в 45 кН составила 0,45. С ростом проскальзывания коэффициент сцепления увеличивается до явно выраженного максимума, а затем постепенно снижается вплоть до выхода на режим чистого скольжения. Резуль­таты исследований Ф. Фредериха совпали с резуль­татами исследований X. Фина, М. Вайнхардта и Н. Зееховена [21], проведенными позднее и охва­тывавшими диапазон скоростей движения от 20 до 140 км/ч.

Эти же авторы провели исследования зависимо­сти коэффициента сцепления yК от проскальзыва­ния s при трении на мокром рельсе с песком массу в паре трения колесо — рельс является огра­ничение до 15 кН нормального усилия, действую­щего на колесо. Это означает, что футерованные пластмассой колеса целесообразно использовать на шахтных локомотивах со сцепочной массой не бо­лее 6 т. При применении двухосных ходовых теле­жек масса локомотива может быть увеличена до 12 т за счет удвоения числа осей. Для снижения износа футеровки было бы целе­сообразно использовать передачу с дифференциа­лом, это особенно важно на криволинейных участ­ках трассы.

Кроме того, износ футеровки при пробуксовке колес можно снизить в помощью автоматических систем защиты от пробуксовки и скольжения ко­лес. Ожидающееся повышение срока службы, воз­можно, позволит удовлетворить требования, предъ­являемые к колесам шахтных локомотивов, преж­де всего потому, что такие системы позволяют раз­вивать максимальное тяговое усилие и сокращают тормозной путь.

Рекомендовать футерованные пластмассой коле­са для локомотивов главных откаточных путей нельзя. Необходимое тяговое усилие на крюке сцепки здесь, как и ранее, достигается за счет уве­личения сцепочной массы локомотива. Использо­вать футерованные пластмассой колеса при нор­мальных усилиях на колесе свыше 25 кН и скоро­стях более 4 м/с нельзя, так как в этом случае из-за возникновения слишком больших сил смятия быстро достигается предел термической прочности материала вулколлан.

Футерованные пластмассой колеса целесообраз­но применять на локомотивах, предназначенных для доставки материалов и перевозки людей, так как в данном случае требуются небольшие величи­ны тягового усилия, а масса локомотивов не пре­вышает 6 т. Благодаря большому коэффициенту сцепления футерованные пластмассой колеса по­зволяют преодолевать участки с большим углом наклона. Последнее подтверждается практикой ис­пользования таких колес в локомотивах подвесных дорог.

Краткое содержание

Повышение коэффициента сцепления колеса с рель­сом способствовало бы значительному расширению использования локомотивного транспорта на под­земных горных работах. В рамках описываемой ра­боты были проведены исследования с целью выяс­нения возможности повышения передаваемого тан­генциального усилия, а следовательно, и тягового усилия локомотива за счет замены стали на пласт­массу в паре трения колесо — рельс. Эксперимен­ты проводили на обычных локомотивных колесах с нанесенным на обточенную ходовую поверхность слоем из материала вулколлан. Для получения максимальной величины переда­ваемого тангенциального усилия на испытательном стенде были проведены измерения коэффициента сцепления. Максимальный коэффициент сцепления при сухом трении составил 1,1 для нормального усилия 5 кН. С ростом нормального усилия до 25 кН максимальная величина коэффициента сцепления и скоростей движения на рис. 3 приведено сравне­ние кривых, полученных Ф. Фредерихом [20] и X. X. Вебером [22]. Максимальный коэффициент трения для смочен­ного рельса составил 0,16 при проскальзывании 0,5%. При дальнейшем увеличении проскальзыва­ния коэффициент остается практически неизмен­ным.

Рис 3. Сравнение кривых зависимостей сцепления от скольжения, в ходе измерений различными ав­торами: