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:

Физические свойства груза: сыпучесть, угол естественного откоса, сопротивления сдвигу, скважистость, пористость, способность уплотняться
Различные свойства грузов обусловливают способ их перевозки, перегрузки, хранения, а также выбор тары и упаковки. Крупность кусков (частиц) навалочных и насыпных грузов определяет их гранулометрический состав. В зависимости от размера типичных кусков грузы делятся на группы. Гранулометрический сост ...

Микрологистическая система KANBAN
Как уже отмечалось, одной из первых попыток практического внедрения концепции «точно в срок» явилась разработанная корпорацией Toyota Motor микрологистическая система KANBAN (что в переводе с японского означает «карта»). Система KANBAN представляет собой первую реализацию «тянущих» микрологистическ ...

Определение основного удельного сопротивления электровоза
vк=110 км/ч; v∞=56 км/ч. ω0’=1,9+0,01*110+0,0003*1102 (для vк) ω0’=6,63 Н/кН ω0’=1,9+0,01*56+0,0003*562 (для v∞) ω0’=3,4 Н/кН Определение основного удельного сопротивления движению поезду (вагонов). Основное удельное сопротивление движению грузового состава поезда, с ...