Взаимодействие колёс подвижного состава и рельсового пути

Колеса являются одним из основных и наиболее нагруженных элементов ходовой части железнодорожного подвижного состава, непосредственно взаимодействуя с путем. При проектировании колесных пар следует учитывать ряд конструктивных ограничений, связанных с особенностями их эксплуатации.

Колесные пары должны соответствовать принятым ширине колеи, габариту подвижного состава и осевым нагрузкам. По габаритным требованиям оси и буксы должны находиться на определенной высоте над УГР, кроме того, диаметр колес должен быть увязан с конструкцией рессорного подвешивания. Спроектированная с учетом этих условий колесная пара должна выдерживать заданный уровень динамических нагрузок и сил, возникающих во взаимодействии как между экипажем и колесными парами, так и между колесами и рельсами.

Максимальная статическая нагрузка от колесной пары на рельсы включает массу груженой (заполненной, экипированной) единицы подвижного состава и собственную массу колесной пары, которая при оси диаметром 150 мм и двух колесах диаметром 1000 мм составляет примерно 1,45 т. На железных дорогах Великобритании (BR) максимально допускаемая осевая нагрузка составляет25т.

Масса кузова и тележек обычно передается на колесные пары через буксы, размещенные с наружной стороны колес (встречаются конструкции, в которых буксы расположены внутри колесной пары). Колесные пары подвергаются значительным циклическим динамическим нагрузкам, в результате которых в колесах накапливаются усталостные дефекты. При этом следует иметь в виду, что колесо диаметром 1 м на пути длиной 3140 км совершает 1 млн. оборотов. Согласно теории усталостного сопротивления металлов для изделий, подвергающихся циклическому нагружению, величина допускаемых напряжений значительно ниже, чем для работающих в условиях статического нагружения.

Для обеспечения безопасности движения и предотвращения излома колесных пар под подвижным составом на железных дорогах установлен строгий контроль за качеством изготовления колес и их состоянием в эксплуатации. При этом определены предельные отклонения размеров и виды дефектов, с которыми колесные пары можно допускать к эксплуатации. Производится периодическая проверка колесных пар с помощью ультразвуковых и магнитных средств дефектоскопии.

Функции колёсных пар

Колесные пары выполняют следующие функции: опирания и направления подвижного состава при движении по рельсовому пути; обеспечения требуемого уровня ускорения при разгоне и замедления при торможении; пропускания тяговых токов в землю и токов короткого замыкания от напольных устройств СЦБ. Все эти функции реализуются в зоне контакта колеса и рельса, и их анализ позволяет разработать требования к контактирующим поверхностям взаимодействующих тел.

Согласно классической теории механики, коэффициент трения есть отношение силы трения скольжения к вертикальной нагрузке. Для сухих металлических поверхностей он находится в пределах 0,25 - 0,40. Сопротивление качению современных вагонов со стальными колесами не превышает 10 кг/т, что равноценно коэффициенту трения 0,01. Иначе говоря, трение скольжения на практике присутствует только при проскальзывании колес относительно рельсов, а также в буксах, имеющих подшипники скольжения, причем в последнем случае скольжение происходит в контролируемых условиях и при постоянном наличии смазки. Если же буксы оснащены подшипниками качения, трение скольжения вообще сводится к минимуму и проявляется лишь в местах контакта металл/металл внутри подшипника.

В идеальном случае для обеспечения минимального взаимодействия с путем экипаж должен двигаться в рельсовой колее прямолинейно, без набегания гребнями колес на рельсы. Однако под воздействием неровностей верхнего строения пути и на поверхности катания колес колесная пара совершает сложные пространственные перемещения, которые через буксы и рессорное подвешивание передаются экипажу. Конусность поверхности катания колес и подуклонка рельсов способствуют прямолинейному движению экипажа в прямых участках без набегания гребня колес на рельсы. Она же облегчает вписывание экипажа в кривые, компенсируя разность касательной скорости колес, катящихся по наружному и внутреннему рельсам, до того момента, пока наружное колесо не начнет направляться наружной рельсовой нитью. С этого момента колесо начинает проскальзывать по рельсу и возникают дополнительные поперечные силы между гребнем колеса и рабочей гранью наружного рельса. Это приводит к повышенному боковому износу рельсов и гребней колес, скрипу, уширению колеи и возникновению условий для вкатывания колеса на рельс.

Если современный вагон разогнать и отцепить, на горизонтальном пути он будет постепенно снижать скорость с замедлением порядка 0,1 м/с2. Для повышения эффективности торможения и снижения потерь времени на замедление разработаны различные конструкции тормозов, от простейших фрикционных до усложненных электродинамических, которые позволяют быстро и плавно останавливать поезд. Максимальная величина замедления при торможении у современных пригородных поездов, обращающихся на участках с интенсивным движением, достигает 1,2 м/с2, у других пассажирских поездов не превышает 0,9 м/с2. При таких высоких величинах замедления коэффициент трения между колесом и рельсом должен быть не менее 0,09 - 0,12, иначе может произойти заклинивание, и колеса вместо качения будут скользить по рельсам. В результате этого на бандажах колес могут образовываться ползуны, от ударного воздействия которых в рельсах

Информация по теме:

Математическая модель рамы автомобиля
Математическая модель рамы представляет собой описание движения подвижной точки с центром, размещенным в центре масс автомобиля. На раму влияют все силы, действующие на части автомобиля, она выступает связующим звеном между ними. (3.7) Если пренебречь лобовым сопротивлением, то (3.8) Математическая ...

Расчет численности работающих на СТОА
Списочная численность производственных рабочих: , (2.16) , (2.17) где – годовой объём работ, чел.-ч.; , – годовые фонды времени соответственно явочного и штатного рабочего, ч.: , (2.18) , (2.19) где -количество недель в году, . - продолжительность отпуска рабочего, дней; - продолжительность недели, ...

Режим работы зон технической обслуживания и ремонта
Количество рабочих дней и году зон ЕО и ТО-1 выбирается с учетом годового режима работы подвижного состава. Зона ЕО работает по режиму АТП. Годовой режим работы зоны ТО-1 выбирается таким, чтобы перепробег автомобилей в нерабочие для зоны дни не превышал периодичность ТО-1 более чем на 10%. Если по ...