Эффективная альтернатива колесной паре

ЭФФЕКТИВНАЯ АЛЬТЕРНАТИВА КОЛЕСНОЙ ПАРЕ.

Колеса как известно,  являются одним из основных и наиболее нагруженных элементов ходовой части подвижного состава, они непосредственно взаимодействуют с путем. На железнодорожном транспорте преимущественное распространение получили колесные пары, у которых оба колеса жестко связаны между собой мощным валом (осью колесной пары) с помощью прессовых посадок на него ступиц. Масса кузова и тележек передается на колесные пары посредством пружин или рессор через буксы,  размещенные с наружной (реже – внутренней) стороны колес. Конусность поверхности катания колес и подуклон рельсов способствуют самоустановке колесных пар в среднее положение, уменьшая тем самым время взаимодействия гребней колес с рельсами. При этом облегчается вписывание колесной пары в кривые, частично компенсируется разность проходимого колесами пути, катящихся по наружному и внутреннему рельсу. В целом колесная пара в ее классическом варианте представляет собой простую,  технологичную и надежную конструкцию.

Отмеченные положительные свойства традиционных колесных пар проявляются на низких скоростях движения.  При движении с высокими скоростями эти преимущества сходят на нет.

Под воздействием горизонтальных неровностей пути и конусности поверхности катания колес колесные пары совершают сложные пространственные перемещения, которые передаются экипажной части локомотива через буксовые связи и рессорное подвешивание. С увеличением скорости движения возникает неустойчивость движения тележки в горизонтальной плоскости,  привозящая при определенных условиях к интенсивным извилистым автоколебаниям,  амплитуда которых ограничивается только периодическим контактом гребней колес с боковыми гребнями рельсов. Частота колебаний свободной колесной пары пропорциональна скорости движения и определяется по формуле f=V/2π√i/rкlк, где V – скорость движения; i – 1/20–1/10 – эффективная конусность в отдельных единицах; rк – радиус круга катания в среднем сечении; lк – расстояние от оси пути до точки контакта колеса с рельсом.

Продольная и поперечная жест­кость установки колесной пары в раме тележки несколько снижает частоту извилистого движения. Од­нако при высокой скорости движе­ния и значительном прокате колес с увеличенной эффективной конус­ностью она становится довольно большой. Поперечные нагрузки на рельсы, пропорциональные квад­рату частоты извилистого движе­ния, могут достигать значительной величины и в некоторых случаях способны вызвать сдвиг рельсошпальной решетки.

Для снижения интенсивности из­вилистых колебаний экипажа при­меняют нелинейные спорно возвращающие устройства с высоким тре­нием. Однако подобные устрой­ства, снижая возникающие попе­речные силы, усугубляют фрикци­онное взаимодействие гребней ко­лес и рельсов, вследствие чего пос­ледние преждевременно изнаши­ваются. Не случайно сегодня наме­тилась тенденция к использованию колесных пар с независимо враща­ющимися на оси колесами.

В кривые участки пути традици­онная колесная пара вписывается, как правило, с большим углом на­бегания гребня на рельс, выскре­бая металл с характерным скреже­том контактирующих поверхностей. Существенно улучшают положение экспериментальные системы с ра­диальной установкой колесных пар в кривых при помощи рычажных механизмов. Однако по ряду объек­тивных причин подобные системы не получили широкого применения на тяговом подвижном составе Рос­сии.

Самым крупным недостатком традиционной колесной пары явля­ется ее повышенное сопротивле­ние движению в прямых и кривых по сравнению с парами со свобод­но вращающимися на оси колеса­ми. Сопротивление качения по рель­су при скорости 50 км/ч обычно не превышает 4-5 кг/т. Сопротивле­ние качения традиционной колес­ной пары в прямых участках пути в среднем на 30 % больше, чем пары со свободно вращающимися коле­сами.

Объясняется это тем, что путь, проходимый правым и левым коле­сами, неодинаков из-за конусности колес и вертикальных неровностей правого и левого рельсов. По этой причине одно из колес традиционной колесной пары практичес­ки всегда закру­чено относи­тельно другого, что приводит к появлению в кон­такте паразит­ных сил, созда­ющих вслед­ствие упругого, а в некоторых случаях и полно­го, скольжения дополнительное сопротивление движению.

Характер­ным примером этого является местный износ рельса без сты­ка (рис. 1), рас­положенного против стыка соседнего рельса (смещенные сты­ки). В данном случае левое колесо, передвигаясь по неровной стыко­вой поверхности, проходит боль­ший путь и заставляет правое коле­со скользить по головке рельса, бывшего поначалу совершенно ров­ным. Именно по этой причине и образуется местный износ рельса. Одиночная неровность на правом или левом рельсе под воздействи­ем традиционной колесной пары создает аналогичную неровность на противоположном рельсе, что приводит к дополнительным затра­там энергии.

В КРИВЫХ традиционная колесная пара создает еще большее сопротивление движению вследствие на­бегания гребня бандажа на рельс и скольжения одного из колес по головке рельса, поскольку конус­ности колеса и поперечного сме­щения колесной пары, как правило, недостаточно для компенсации раз­ности длины пути, проходимого по внешнему и внутреннему рельсам. На рис. 2 сплошной линией 1 пока­зан график работы сил сопротивле­ния одной колесной пары электро­поезда ЭР2 при скорости 50 км/ч на одном метре длины кривых различного радиуса, а также для прямого участка пути. Здесь же пунктирной линией 2 показана ра­бота сил сопротивления пары со свободно вращающимися на оси колесами при радиальной ее уста­новке в кривой (эти данные получе­ны расчетным путем и проверены экспериментально).

Из приведенного графика вид­но, что если в прямых пара со свободно вращающимися на оси колесами снижает сопротивление движению всего на 30 %, то в кривых радиусом 600 м сопротив­ление движению снижается более чем вдвое, причем эта разница идет на повышенный износ гребней бандажа и рельсов. Если оборудо­вать электропоезд типа ЭР2 само­устанавливающимися парами со сво­бодно вращающимися на оси коле­сами, сопротивление движению снизится в среднем примерно на 40 %, что приведет к значительной экономии электроэнергии, а глав­ное, резко снизит износ колес и рельсов.

Другим существенным недо­статком традиционной колесной пары является трудность быстрого ее поворота на рельсах вокруг вертикальной оси для самоуста­новки в кривых участках пути. Что­бы установить колесную пару в радиальное положение, применя­ют различного рода исполнитель­ные механизмы. Для осуществле­ния быстрого поворота колесной пары разворачивающий момент должен быть больше момента сцеп­ления колес с рельсами, значение которого при су­хих рельсах со­ставляет при­мерно 4-5 тм. Следовательно, рычажный ис­полнительный привод или при­вод активной си­стемы должен развивать весь­ма значитель­ную силу, что су­щественно ус­ложняет следя­щую систему уп­равления движе­нием тележки в прямых и кривых участках пути.

Значение разворачиваю­щего момента при повороте вокруг верти­кальной оси пары со свобод­но вращающи­мися колесами на два порядка меньше, чем у традиционной колесной пары, вследствие неза­висимого каче­ния колес по рельсам. Благо­даря этому исполнительный привод существенно уменьшается в размерах и упро­щается, что дает возможность при­менять микропроцессорную сле­дящую систему управления. Для этой цели может быть использован серийно выпускаемый гидропривод от станков с ЧПУ (например, испол­нительный привод токарно-револьверного станка (П420ПФ40), что значительно ускорит и удешевит внедрение подобной следящей си­стемы.