Характеристики возмущений, вызывающих колебания вагонов. Взаимодействие колесной пары и рельсового пути

Характеристики возмущений, вызывающих колебания вагонов. Взаимодействие колесной пары и рельсового пути.

Возникающие при движении вагона динамические силы вызывают сложные процессы колебаний его частей. Для изучения характера и характеристик этих колебаний, влияющих на безопасность движения сохранность перевозимых грузов и комфорт для пассажиров, прочность частей вагона, необходимо знать характеристики возмущающих факторов и законы их изменений во времени.

Все возмущающие факторы можно разделить на три группы:

a)  единичные (не периодические) – крестовины стрелочных переводов, пучины и впадины рельсового пути;

b)  периодические – рельсовые неровности (вертикальные и горизонтальные),  рельсовые стыки (просадки, зазоры, сварные швы, износы), волнообразный износ поверхностей катания колес и рельсов, ползуны на поверхности катания колес, эксцентриситет шейки оси и круга катания колес, дисбаланс (неуравновешенность) колесных пар, извилистое движение колесных пар;

c)  случайные, т.е. суммарное действие большинства из перечисленных в п. а) и b) факторов со случайной накладкой во времени.

Характеристики основных вертикальных рельсовых неровностей

При движении вагона траектория центра масс (ЦМ) колесной пары повторяет рельсовые неровности. Зная закон их изменения вдоль оси пути и характеристики можно определить закон перемещений колесных пар движущегося вагона во времени и их характеристики.

Рассмотрим наиболее часто возникающие в эксплуатации формы рельсовых неровностей, зависящие от длины рельсовых звеньев.

На путях с длиной рельсовых звеньев 12,5 м образуются арочные  неровности, показанные на рис. 1.

Рис.1. Схема образования арочной неровности

Обозначения:  – профиль идеального состояния пути;  – профиль реального пути в перид эксплуатации без нагрузки;  – траектория точки контакта колесной пары и рельса под движущейся колесной парой;  - остаточная рельсового пути;  – тоже  упругая деформация;  – высота рельсовой неровности;  – длина рельса, длина неровности.

На путях с длиной рельсовых звеньев 25.0 м образуются двугорбые  неровности, показанные на рис. 2.

      Рис. 2. Схема образования двугорбой неровности (обозначения см.  рис. 1.)

Неровности рельсовых нитей для аналитических исследований и математического моделирования заменяют неровностями, закон изменения которых можно представить с помощью математических функций. На рис. 3 такими функцией является , а на рис. 4 – . При этом значение аргумента  выражается через координату вдоль оси пути – .

         

              Рис. 3. Схема замены реальной неровности гладкой функцией

В первом случае рекомендуется использовать функцию вида ,

где аргумент  находится из соотношения .

             Рис. 4. Схема замены реальной неровности функцией  с переломом траектории

 Во втором случае рекомендуется использовать функцию вида  со скачком первой производной  в зоне рельсового стыка,  где аргумент  находится из соотношения

                   ,    .

Движение колесных пар вагона по рельсовой неровности

При движении по рельсовой неровности ЦМ колесных пар вагона повторяют траекторию рельсовой неровности, но со сдвигом по координате , а, следовательно, и по фазовому углу. Положение колесных пар вагона на рельсовой неровности показано на рис. 3.

Рис. 3. Путь, пройденный  колесной парой  по рельсовой неровности

Соотношения, приведенные на рис. 3,  позволяют выписать выражения, определяющие траектории колесных пар во времени. При ,  , где . Таким образом, для 1-ой  колесной пары , через  – обозначена начальная фаза, зависящая от расстояния между колесной парой и  вершиной неровности. Если принять, что 1–я  колесная пара находится не вершине неровности (), то для 2-й колесной пары ,  для 3-й , для 4-й . Для -й колесной пары траекторию будет представлять выражение , где , , – расстояние между 1-й и -ой колесными парами.

Для неровности типа  траектория для -й колесной пары будет иметь вид: , где , а  , – расстояние между 1-й и -ой колесными парами.

Результаты обработки значительного экспериментального материала по замеру возмущений (ЦНИИ МПС), действующих на вагон при его движении по стыковому пути, позволили выделить три основные группы неровностей следующего вида:

Группа 1 →    .

Группа 2 →     .

Группа 3 →    .

Таблица 1

Таблица вероятностей повторения неровностей каждой групп для рельсов длиной 12,5 и 25,0 м (построена по экспериментальным данным от скорости не зависит)

	Вероятность повторения неровностей групп
	1	2	3
12,5	0,480	0,225	0,295
25,0	0,280	0,525	0,195

Таблица 2

Средние значения и среднеквадратические отклонения амплитуд неровностей 1, 2, и 3 групп

Группа	Статистические характеристики, мм	Номера гармонических составляющих математических выражений неровностей
		1	2	3	4
1		11,7/13,1* 6,1/5,1	—	—	—
2		—	4,0/3,1 4,6/5,0	3,8/3,3 1,6/1,3	—
3		—	—	—	5,5/7,4 3,3/4,1

* Числитель для м,   знаменатель для м

Износы рельсов

В процессе эксплуатации рельсы подвергаются боковому и вертикальному износу и смятию. Боковому износу (см. рис. 4 а) подвержены рельсы наружных нитей кривых. Он опасен тем, что облегчает вкатывание колеса на головку рельса и ослабляет его прочность. Вертикальный износ разделяют на равномерный и неравномерный – волнообразный, показанные на рис. 4 б) и с).

                Рис. 4. Боковой а) и вертикальный б), с) износы и смятие рельсов

Очертание неровностей при волнообразном износе близко к синусоидальному. Различают коротковолновый волнообразный износ с длиной волны =3 – 12 см, в среднем 6 – 6 см. и

Длинноволновый – =20 – 250 см. Короткие волны в Европе и США, длинные – СНГ.

Влияние волнообразного износа выражается в росте сил динамического взаимодействия ходовых частей и рельсов, снижении скоростей движения, в сокращении сроков службы пути и подвижного состава и повышении эксплуатационных расходов.

Основные факторы вызывающие волнообразный износ:

·  технология изготовления рельсов (правка в процессе изготовления);

·  большой вес неподрессоренных частей;

·  вибрационные явления при движении подвижного состава;

·  проскальзывания колес.

На практике волнообразный износ ограничивают по глубине неровности, определяющей динамическое взаимодействие пути и подвижного состава.

При  100 км/ч,   2,0 мм,  при = 1,0 м.

При  160 км/ч,   1,0 мм,  при = 1,0 м.

Наиболее эффективной мерой для удаления волнообразного износа является шлифовка рельсов. Рельсошлифовальный поезд за 3 – 4 прохода снимает до 1,0 мм металла, выравнивает поверхность и восстанавливает профиль головки рельса. В результате объем работ по содержанию пути уменьшается па 15 – 20%, срок службы рельсов увеличивается.