Статистика показывает, что сход поездов с рельсового пути происходит в основном от их износа и – даже в большей степени – из-за износа колёс подвижного состава. Такие аварии приносят большие беды, которые резко усугубляются при транспортировке опасных грузов и ещё более – при перевозке пассажиров (высокоскоростными составами особенно).
В последние десятилетия на железнодорожном транспорте России эта проблема стоит особо остро. Износ колёс и рельсов происходит от чрезмерного их взаимного воздействия – особенно на криволинейных участках пути, а главной причиной такого воздействия является неуправляемость ходовыми тележками: они движутся с перекосом, изнашивая гребни колёс и рельсы.
Из-за забега и подскальзывания колеса происходит непрерывное «точение» и «строгание» гребнем боковой поверхности головки наружного рельса. В результате и возникает злополучный волнообразный износ, а при его пределе тележка выходят из колеи.
Уже разработаны теоретические и практические основы определения технического состояния кривых. Они обсуждались на последней научно-практической конференции по безопасности движения поездов, где были представлены «Предложения для решения проблемы повышенного износа боковой поверхности наружного рельса и гребней колес в кривых и связанного с ним выкатывания колеса на головку рельса». (М.: Транспорт. 2002.).
Мероприятия, проводимые для снижения износа, в основном, связаны с уменьшением коэффициента трения и увеличением твердости обода колеса. Однако эти мероприятия не устраняют главную причину интенсивного износа колес, а при чрезмерном давлении гребня на рельс лишь в малой степени снижают фрикционные свойства трущихся поверхностей.
Анализом причин, а также самих процессов износа и способов его снижения занимаются многие специалисты: только литературных источников на эту тему (по материалам Научно-практической конференции «Колесо-рельс 2003», состоявшейся на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа) насчитывается более сотни.
Предложено много различных новых технических решений. Есть даже попытки создать системы управления радиальной установкой колес (патент RU №2283254 С2 B61F 5/38), однако это достигается большим усложнением устройства управления, что вместе с его удорожанием снижает надежность работы (чем сложнее система, тем больше вероятность её отказов). Одних только исполнительных механизмов в этой системе насчитывается очень много.
Известны также тележки с механизмом радиальной установки колесной пары (патент RU №2349478 С2 B61F 5/38, а также патент RU №2216470 С2 B61F 3/00). Эти изобретения относятся к конструкции двухосной тележки пассажирского вагона с двухступенчатым рессорным подвешиванием и механизмом радиальной установки колесных пар.
Следует отметить главный недостаток данной конструкции: радиальная установка колесных пар осуществляется в отдельно взятой тележнке и определяется только воздействием центробежных сил без учета других важных факторов, в частности, радиуса поворота коллеи, что снижает точность регулирования, а сниженная жесткость конструкции такой тележки с взаимно подвижными осями колесных пар скажется отрицательно на её надежности.
Предлагаемое в изобретении (патент RU №2449910 С2, B61F 3/00, B61F 5/50, B61F 5/38 «Способ снижения износа системы колесо-рельс и конструкция для его осуществления») устройство с дифференциальными колесными парами и дополнительной поперечной связью уменьшает величину углов набегания и интенсивность взаимодействия гребней колес и внутренней грани головки рельса, однако оптимизирующую эти процессы непосредственную связь между кривизной рельсовой колеи и поворотом тележки не обеспечивает.
Таким образом, главной нерешенной в рассмотренных разработках задачей является создание жесткого и точного управления ориентацией ходовых тележек при их движении на любых участках железнодорожного пути.
Всё вышесказанное и определило актуальность поиска простого технического решения, реализующего такую связь, и оно было найдено (патент RU № 2710051 от 24.12.2019).
В соответствии с этим принята конструкция ходовой части подвижного состава с вагонами, опирающимися на две ходовые тележки, в которой — согласно изобретению — под средней частью рамы устанавливается дополнительная — «рулевая» колесная пара с возможностью поперечного перемещения относительно рамы, имеющая кинематическую связь с поворотной конструкцией ходовых тележек, причем передаточное отношение от рулевой колесной пары к тележкам зависит от направления движения состава.
Эта зависимость обеспечивает идеальное управление ходовой тележкой, однако в практическом плане вполне допустимо упростить механизм кинематической связи рулевой колесной пары с ходовой тележкой (патент RU № 2727046 от 17.07.2020.).
Рулевая колесная пара с возможностью поперечного перемещения относительно рамы, например, в направляющих роликах, обеспечивает передачу через кинематическую связь с поворотной конструкцией ходовых тележек управляющих воздействий на них в зависимости от изгиба рельсового пути. При минимальных люфтах в узлах кинематической системы и величины зазоров между гребнями колес рулевой пары и рельсами обеспечивается стабильность ориентации тележек и на прямых участках пути, а неточности управления на переходных кривых имеют кратковременный (доли секунды) характер и на износ колес практически не влияют. Всё это, к тому же, обеспечивает плавность хода.
Итак, в самом общем виде ходовая часть вагона содержит шарнирно соединенные с рамой 1 две ходовые тележки 2 и рулевую колесную пару 3, связанную через узлы амортизации с подвижной поперечной балкой 4, установленной, например, в направляющих роликах 5. На поперечной балке 4 или под ней установлены подвижные два штока 6 с роликами на концах. Они оснащены электромагнитным приводом 7 и связаны с поворотными звеньями 8, соединенными жесткими связями 9 с ходовыми тележками 2.
Привод штоков 6 управляется датчиком, например, индукционным, реагирующим на направление движения вагона (в данном случае показанное стрелкой на фигуре 2).
Процессы, обеспечивающие оптимальные условия работы колесных пар при движении состава по рельсам, состоят в следующем. На любых участках пути рулевая колесная пара 3, занимая определенное положение с минимально допустимым зазором между гребнями колес и головками рельсов, отслеживает изменение кривизны рельсового пути.
При этом перемещение поперечной балки 4 по роликам 5 передается через оба штока 6, поворотные звенья 8 и жесткие связи 9 ходовым тележкам 2. Их оптимальным положением следует считать такой угол поворота на кривых участках пути, при котором передние по ходу колеса тележек движутся по касательным к осям рельсов в местах их контакта, при этом задние колеса имеют незначительный поворот от касательных в их точках контакта в сторону центра кривизны пути.
Возникающие при этом поперечные силы в основном компенсируются действующими на вагон центробежными силами. Не скомпенсированная сила в зависимости от ее направленности создает контакт гребней колес с тем или другим рельсом, но при этом контактное давление и, соответственно, их износ будут не сопоставимо малы в сравнении с теми же параметрами у современного железнодорожного транспорта.
А силы от проскальзывания колес из-за разности длин внешнего и внутреннего рельсов не могут влиять на поворот тележек, поскольку последние жестко связаны с рулевой колесной парой.
При указанном оптимальном повороте тележек 2 относительно вагонной рамы 1 на любом криволинейном участке пути угол поворота α звена 8 больше угла β второго такого же звена, а передаточные отношения в кинематической связи штоков 6 с поворотным основанием тележек также не одинаковы.
Это обеспечивается их перемещением электромагнитным приводом 7 в сторону движения состава, при этом плечо рычага L поворотного звена 8 с этой стороны становится уменьшенной, а с противоположной стороны увеличенной.
В упрощенной кинематической схеме управление ходовыми тележками симметрично (см. фиг. 3). На схеме показана система управления ходовой частью на одной стороне вагона, где приводной рычаг 7 через тяги 8 передает движение от рулевой колесной пары ходовой тележке. При этом обязательными условиями являются:
- плечо L рычага должно равняться 1/4 базы вагона;
- звенья (тяги), передающие движение надрессорной балке тележки, должны быть параллельны продольной оси вагона и располагаться в общей плоскости с рычагом.
Для вагона с базой 20 м при радиусе изгиба пути 200 м смещение рулевой колесной пары равно 250 мм (в каждую сторону), а угол ϕ составляет около 1/4 градуса. Это практически его максимальная величина на магистральных путях.
Все параметры звеньев кинематической системы определяются проектными расчетами в зависимости от параметров ходовой части подвижного состава. Внедрение предлагаемого технического решения позволит резко сократить эксплуатационные затраты, а — главное — предельно снизить вероятность аварийных ситуаций, связанных с износом системы «колесо-рельс».
—
Автор – Николай. Ясаков, инженер-конструктор, г. Новороссийск.
Новые комментарии: