ГЛАВА 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДВУХТОЧЕЧНОГО КОНТАКТИРОВАНИЯ КОЛЕС С РЕЛЬСАМИ
2.1. Условия существования и виды контактов.
При движении рельсового экипажа, в зависимости от поперечного перемещения колесных пар относительно продольной оси пути, могут иметь место три типа контактов колес с рельсами:
- одноточечный контакт при контактировании по поверхности катания без гребневого касания;
- двухточечный контакт с перераспределением параметров контактирования между контактами (перекладка контакта);
- одноточечный гребневой контакт при всползании гребня на рельс.
а) б) в)
Рис.2.1. Типы контактов колеса с рельсом
а) - одноточечный контакт по поверхности катания; б) - двухточечный контакт; в) - одноточечный гребневой контакт.
Характерными режимами движения экипажа, при которых имеет место одноточечный контакт колес с рельсами по поверхностям катания (рис.2.1, а) являются:
- движение в прямых участках пути без касания гребней колес с рельсами, т.е. со скоростями ниже критических по устойчивости движения;
- движение в кривых большого радиуса со скоростями, близкими к равновесным, обеспечивающими бесгребневое вписывание;
- для сбегающих колесных пар - также движение в кривых малого радиуса.
Относительное время существования одноточечных контактов по поверхности катания по сравнению с общим временем движения экипажа зависит от соотношения суммарных длин прямых (кривых большого радиуса) и кривых малого радиуса, а также конкретных скоростных режимов движения. В эксплуатации оно может составлять от 30% (на горных дорогах) до 95% (на равнинных дорогах).
Одной из главных задач при разработке подвижного состава и, в частности, профилей поверхностей катания колес является создание таких конструкций ходовых частей экипажей, которые обеспечивали бы наибольшее относительное время движения экипажа при контактировании колес с рельсами без гребневого касания. Известно большое количество конструктивных решений, применяемых с данной целью: колесные пары со свободным вращением колес; тележки с радиальной установкой колесных пар в кривых; вагоны с принудительным наклоном кузова в кривых и др.
Двухточечный контакт типичен для следующих режимов движения экипажей:
- движение в прямых участках пути и кривых большого радиуса со скоростями выше критических по устойчивости движения при ударном набегании колес на рельсы поочередно для правого и левого колес набегающих колесных пар;
- движение в кривых малого радиуса для наружных колес;
- при нарушениях геометрии установки (перекосе) колесных пар в тележках, как в прямых, так и в кривых участках пути;
- при достаточно больших расхождениях диаметров поверхностей катания колес одной колесной пары.
Одноточечный гребневой контакт является неэксплуатационным случаем контактирования и может иметь место при всползании гребня на рельс. Обычно это приводит к сходу подвижного состава с рельсов.
Такая классификация режимов движения по видам контактов, конечно, не означает, что есть режимы, при которых все колесные пары дают двухточечный контакт. Естественно, одновременно двухточечный контакт может иметь место только у одного из колес отдельных колесных пар. Даже при вписывании в кривые малого радиуса в зависимости от осевой формулы, особенностей конструкции экипажа и режима движения, как правило, одновременно двухточечный контакт имеют одно или два колеса тележки.
Одноточечное контактирование по поверхности катания и по гребню изучены относительно подробно, чего нельзя сказать о двухточечном контакте. Учитывая особенности процессов сцепления и вписывания в кривые при двухточечном контакте, сложность их описания и недостаточность исследования, представляет интерес разработка математической модели двухточечного контакта.
2.2. Геометрические параметры двухточечного контакта.
Геометрия контактных пятен при опирании колес на рельсы определяется, прежде всего, профилями контактирующих поверхностей. Большое разнообразие профилей поверхностей катания колес подвижного состава говорит о различии условий эксплуатации и о противоречии предъявляемых к профилям требований. Прежде всего, противоречивыми являются требования по коэффициенту горизонтальной динамики при движении в прямых и кривых участках пути [76]. Для минимизации этого показателя при вписывании в кривые участки пути поверхности катания колес должны иметь большую конусность, и, наоборот, в прямых участках пути поверхности катания должны быть цилиндрическими. Таким образом, общим требованием к рациональному профилю колеса является наличие конусного участка с уклоном, удовлетворяющим двум противоречащим требованиям. При таком профиле должен иметь место одноточечный контакт с очень маленькой площадью контактирования, что, как правило, приводит в начальный период эксплуатации к интенсивному износу, искажению профиля колеса и, в конце концов, - к появлению двухточечного контакта. Интенсивность износа после приобретения колесом некоторого проката уменьшается и стабилизируется. Такой профиль дает большую площадь контакта, что и обеспечивает меньший износ, но приводит к ухудшению показателей горизонтальной динамики.
Исследования по разработке рациональных профилей колес ведутся давно и продолжаются во многих странах мира [104]. Особенно интенсивно они проводились в Германии. Германские профили - "Хейман-Лоттер", DB II, типа I, типа II зарекомендовали себя с самой лучшей стороны [54].
В свое время ЦНИИ МПС и ВНИТИ был проведен большой объем исследований по изучению закономерностей профилеобразования колес в эксплуатации. Известны также другие исследования по разработке профилей: профили В.Ф.Яковлева; профиль депо Бельцы, профиль Днепропетровской металлургической академии и др. Однако, многочисленные работы исследовательских организаций СНГ не привели к массовому внедрению новых профилей, как стандартных. До с