Обеспечение безопасности движения подвижного состава в кривых и на горно-перевальных участках пути тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Мартыненко Любовь Викторовна

• Мартыненко Любовь Викторовна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Мартыненко Любовь Викторовна

Введение

1 Анализ технического состояния подвижного состава и пути

1.1 Условия эксплуатации подвижного состава на Восточно-Сибирской железной дороге

1.2 Лабораторная база исследования технического состояния подвижного состава и пути

1.3 Анализ технического состояния колёсных пар

1.4 Статистические данные по повреждаемости элементов подвижного состава

1.5 Движение подвижного состава в переходных кривых. Характеристика

переходных кривых

Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования

2 Разработка методики расследования причин аварийных ситуаций в кривых и на горно-перевальных участках

2.1 Построение математической модели оценки опасности аварийных ситуаций и формирование типов причин сходов подвижного состава

2.2 Методика расследований сходов в условиях неопределённости

2.3 Разработка методики расследований сходов с помощью определения

причастности одного из классов системы «локомотив-вагон-путь»

Выводы по главе

3 Исследование напряжённо-деформированного состояния пути при движении по неровностям пути

3.1 Анализ силовых характеристик подвижного состава в зависимости от амплитуд и степеней неровностей в кривых участках пути

3.2 Моделирование динамических характеристик вагона

Выводы по главе

4 Исследование влияния значений параметров подвижного состава и пути на динамику движения

4.1 Исследование динамики подвижного состава при линейном и билинейном рессорном подвешивании

4.2 Исследование влияния характеристик пути на динамику вагона и его воздействие на путь

4.3 Исследование влияния вибрации буксовых узлов на динамику движения подвижного состава

4.4 Влияние опасных сочетаний значений параметров подвижного состава и пути

на возникновение аварийных ситуаций

Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение А

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение безопасности движения подвижного состава в кривых и на горно-перевальных участках пути»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Современные тенденции увеличения пропускной способности железнодорожной инфраструктуры предполагают при безусловном сохранении достигнутого уровня безопасности кратного роста объёма перевозок на основе новых алгоритмов решений, как для превентивных оценок состояния элементов, так и конкретных конструктивно-технологических решений. Российские железные дороги предусматривают увеличение провозной способности Восточного полигона РЖД к 2025 году со 124,9 млн до 200 млн тонн. Рост грузонапряженности на Восточном полигоне увеличился за 2015-2023 гг. на 37%. Повышенная интенсивность движения и большие нагрузки на дорожную сеть приводят к интенсивному росту неисправностей подвижного состава и нарастанию количества отступлений в пути следования.

Отмеченная интенсификация процесса перевозок связана с быстрым исчерпанием ресурса как железнодорожной инфраструктуры, так и непосредственно подвижного состава, что увеличивает число отказов в процессе эксплуатации и влияет на рост аварийных ситуаций, которые происходят в основном на опасных участках, таких как переходные кривые, когда подвижной состав движется по прямой и начинает заходить на поворотный участок кривой. Скорость локомотива снижается перед такими участками, но определённые параметры технического состояния при поворотах являются опасными, так как угол поворота тележки зависит от многих факторов. В настоящее время с помощью специализированных вагонов-лабораторий собран большой фактический материал об обстоятельствах, возникающих в процессе перевозок, способствующих появлению аварийных ситуаций. Соответствующие расследования позволили получить информацию о отклонениях, которые формируются на протяжении всего времени эксплуатации в разных системах вагона, пути и локомотива. Расследования, проводимые по сходам, рассматривают параметры величин, снятые с вагон-лабораторий до схода и в сравнительном анализе после схода. Анализ проводится на основе показателей вагон-лабораторий после чего проводится

выборка или ранжирование данных по опасности, повлекшие за собой данное событие. В данный момент вопросы, связанные с безопасностью, являются важными и требуют доработки не только по контролю содержания, но и по взаимодействию всей системы при отклонениях, являющихся нормированными.

Степень разработанности проблемы. Фундаментальный вклад в развитие теории взаимодействия подвижного состава и пути внесли труды отечественных учёных: П.С. Анисимова, Ю.П. Бороненко, Ю.А. Давыдова, В.И. Доронина, М.Ф. Вериго, С.В. Вершинского, Н.К. Галахова, И. И. Галиева, Л.О. Грачёва, В.И. Дмитриева, М.Н. Добычина, В.Г. Иноземцева, В.В. Шаповалова и др.

Вопросы связанные с обеспечением безопасности процесса перевозок железнодорожным транспортом с помощью математического моделирования и инженерного анализа соответствующих математических моделей рассмотрены в работах В.П. Клюки, В.Н. Котуранова, Ю.М. Кулинича, В.А. Лазаряна, В.В. Лукина, А.В. Лукьянова, С.А. Лукьянова, В.С. Лысюка, И.Н. Новикова, А.М. Орловой, В.О. Певзнера, Г.И. Петрова, Ю.С. Ромена, Рудановского В.М., А.В. Смольянинова, П.А. Устича, Л.А. Шадура, Г.М. Шахунянца и других. Анализ указанных работ показывает, что вопросы, связанные с повышением безопасности процесса железнодорожных перевозок при движении в кривых и горноперевальных участках разработаны недостаточно полно, а исследования в указанном направлении, основанные на систематизации и обобщении закономерностей возникновения сходов в кривых и горно-перевальных участках являются актуальными.

Целью исследования является повышение безопасности движения железнодорожного подвижного состава в кривых и на горно-перевальных участках пути на основе разработки показателей безопасности, определяемых отклонениями параметров состояния подвижного состава с учётом технического состояния пути, а также режимом его движения.

Задачи исследования. Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

- проведение анализа и систематизации данных о техническом состоянии вагона, локомотива и пути, полученных с прицепных вагонов-лабораторий в кривых и на горно-перевальных участках;

- количественная и качественная оценка взаимодействия подвижного состава и пути;

- проведение анализа поперечных сил и ускорений вагонов, отклонений состояния рельсовых нитей и скорости движения в кривых и на горно-перевальных участках, а также определение наиболее опасных их сочетаний;

- разработка эффективных показателей безопасности движения вагона и возникновения аварийных ситуаций, основанных на анализе отклонений параметров состояния подвижного состава;

- разработка конструктивных и технологических рекомендаций, направленных на повышение безопасности при движении в кривых и на горноперевальных участках.

Объектом исследования являются сходы подвижного состава и оценка взаимодействия вагона и пути с режимом движения состава в кривых и на горноперевальных участках.

Предметом исследования являются причины сходов подвижного состава в кривых и на горно-перевальных участках.

Научная новизна. В ходе работы были получены следующие результаты:

1) Разработан новый критерий безопасности движения подвижного состава, учитывающий основные числовые характеристики схода при определении причастности элементов системы «локомотив-вагон-путь» к аварии.

2) Разработана научно-обоснованная расчётно-экспериментальная методика анализа причин сходов подвижного состава при движении, позволяющая определить степень причастности вагона к возникновению аварийных ситуаций.

3) Предложена научно-обоснованная расчётно-экспериментальная методика оценки динамических характеристик подвижного состава.

Теоретическая значимость:

1) Предложена методика расследования причин аварийных ситуаций в кривых и на горно-перевальных участках, позволяющая учитывать степень причастности каждого элемента системы «локомотив-вагон-путь».

2) Применительно к проблематике диссертации результативно использованы методы математического моделирования и компьютерных технологий для оценки напряжённо-деформированного состояния пути при движении подвижного состава по неровностям.

3) Изложены факторы, определяющие условия эксплуатации подвижного состава в кривых и на горно-перевальных участках пути.

4) Раскрыты проблемы несоответствия существующих представлений о расследовании причин сходов подвижного состава.

5) Проведена модернизация математической модели взаимодействия подвижного состава и пути с учётом неровностей.

Практическая значимость:

1) Создана система практических рекомендаций, направленных на повышение безопасности движения составов:

- дополнительный контроль автосцепного оборудования, направленный на определение расположения контактных пятен упорной плиты;

- маркировка начала криволинейного участка пути столбцами со светоотражающими элементами;

- ограничения допустимого крена кузова при наличии просадок рельсовых нитей;

- дополнительное ограничение скоростного режима движения при наличии отклонений возвышения рельсовых нитей в кривом участке пути, бокового износа рельса и длины неровностей пути, а также отклонений состояния колесной пары.

2) Разработана и предложена к внедрению методика анализа причин сходов подвижного состава, позволяющая повысить точность определения степени причастности вагона к возникновению аварийной ситуации в кривых и на горноперевальных участках.

3) Определены перспективы практического использования методики расчётной оценки динамических характеристик подвижного состава, включающей в себя определение поперечных сил и ускорений вагона, что позволяет обоснованно вносить дополнительные ограничения движения состава в кривых и на горно-перевальных участках, учитывающие конкретные отклонения параметров состояния пути от номинальных.

4) Представлены предложения по дальнейшему совершенствованию системы «локомотив-вагон-путь» для снижения влияния неравноупругости рельсошпальной решётки на суммарную динамическую нагрузку колёсной пары на путь.

Методология и методы исследований. Исследование влияния технического состояния ходовых частей грузовых вагонов на безопасность движения и возникновения сходов подвижного состава проводилось с помощью специализированных вагонов-лабораторий, численными методами математического моделирования с использованием сертифицированного программного комплекса «Универсальный механизм».

Положения диссертации, выносимые на защиту:

- эффективные показатели безопасности движения подвижного состава при возникновении аварийных ситуаций, основанные на анализе отклонений параметров его состояния;

- методика определения причины схода подвижного состава в грузовых поездах, основанная на использовании предложенных показателей безопасности движения;

- рекомендации, направленные на повышение безопасности движения подвижного состава, основанные на анализе причин сходов, произошедших на участках Восточного полигона.

Реализация полученных научных результатов осуществлена путём внедрения в практику работы эксплуатационного вагонного депо «Иркутск-Сортировочный» - структурного подразделения Восточно-Сибирской Дирекции Инфраструктуры - структурного подразделения Центральной Дирекции

Инфраструктуры - филиала ОАО «РЖД» ВЧДэ-8 ВСЖД, что подтверждено соответствующим актом, а также в учебный процесс ФГБОУ ВО «Иркутского государственного университета путей сообщения» (ИрГУПС) на кафедре «Вагоны и вагонное хозяйство».

Степень достоверности научных положений и полученных результатов подтверждается результатами поездных испытаний с использованием сертифицированных приборов и измерительной техники, корректным применением опробованных математических методов, а также применением для проведения расчётных исследований сертифицированного программного комплекса «Универсальный механизм».

Апробация результатов работы.

Результаты проведённых исследований докладывались на международной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации и ремонта подвижного состава» (Иркутск, 2015 г.); международной научно-практической конференции «Транссиб: на острие реформ» (Чита, 2016 г.); международной научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 2016-2019 гг.); международном научно-практическом симпозиуме «Инновации и обеспечение безопасности эксплуатации современных железных дорог (The 6th International Symposium on Innovation and Sustainability of Modern Railway (ISMR 2018), China, 2018 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (Иркутск, 2017-2018 гг.); международной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации и ремонта подвижного состава» (Иркутск, 2020 г.); международной научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 2021 г.); IX международной научно-технической конференции «Локомотивы. Электрический транспорт - XXI век (Санкт-Петербург, 2024 г.).

Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-практическом семинаре Иркутского центра диагностики и мониторинга устройств инфраструктуры - структурного подразделения Дирекции диагностики и мониторинга инфраструктуры - структурного подразделения Центральной

дирекции инфраструктуры - филиала открытого акционерного общества «Российские железные дороги» (Иркутск, 2019 г.); научно-практическом семинаре Всероссийского научного института исследований железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) (Москва, 2020 г.); на расширенном межкафедральном научно-техническом семинаре ФГБОУ ВО «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ИрГУПС) (Иркутск, 2021 г.); на расширенном межкафедральном научно-техническом семинаре ФГБОУ ВО «Омский государственный университет путей сообщения» (ОмГУПС) (Омск, 2021 г.).

Публикации. По результатам проведённых исследований опубликовано 55 научных работ, в том числе 8 научных статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России, получено 10 патентов на изобретения и полезные модели.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка используемых источников. Полный объём диссертации составляет 132 страницы, 49 рисунков и 13 таблиц и одно приложение. Список использованных источников включает 132 наименования.

1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА И

ПУТИ

1.1 Условия эксплуатации подвижного состава на Восточно-Сибирской

железной дороге

Совершенствование безопасности движения грузовых вагонов - это комплекс мероприятий, направленных на снижение количества сходов подвижного состава.

Обеспечение безопасности движения подвижного состава является основным условием нормальной работы ОАО «РЖД». При движении вагон создает сложную продольно-поперечную динамику с колебаниями, оказывающими влияние в целом на безопасность всей транспортной системы. Поэтому основным фактором обеспечения безопасности является взаимодействие вагона и пути, а также режим движения подвижного состава. При данном взаимодействии происходят основные процессы, влияющие на динамику подвижного состава и пути в целом [1].

С увеличением грузонапряжённости на сети железных дорог появилась необходимость создания условий для безопасного перевозочного процесса. Для достижения данной цели необходимо комплексное рассмотрение факторов, которые влияют не только на подвижной состав, но и на путь в целом. Большого внимания требует проблема увеличения сходов грузовых вагонов на ВосточноСибирской железной дороге (ВСЖД), которое с каждым годом увеличивается несмотря на совершенствование безопасности движения подвижного состава (рис. 1.1). Данные сходы связаны со многими факторами, одним из которых является сложный рельеф местности [2].

ВСЖД имеет протяженность более 3500 км с большим количеством правых и левых радиальных поворотов (>7500) кривых малого радиуса (250-350 м), средних (400-700 м) и пологих (800-1200 м) участков пути. Данный рельеф местности, имеющий участки с кривыми и переходными кривыми малых радиусов

(250-650 м), является наиболее опасным участком пути, в котором участилось количество сходов [3, 4].

25 -

ь 20 Э и с

со

CD 15

et

о

X и

m

о

10

I I I

2015

2016

2017

2018

2019

2020

2021

2022

2023

Рисунок 1.1 - Статистика сходов подвижного состава в период с 2015-2023гг.

5

0

Разработка мероприятий по разрешению сложившейся ситуации возможна только при применении соответствующих мер, а именно необходимости проведения исследований при отклонениях вагона и пути, а также нарушении режима движения подвижного состава. Данные отклонения при их сочетании приводят к опасным последствиям и оказывают огромное влияние на транспортную систему в целом. Чтобы комплексно оценить динамику движения на участках пути, которые имеют отклонения, влияющие на динамику движения при взаимодействии всех составляющих, требуется провести расширенные мероприятия по обеспечению безопасности и принять дополнительные меры по их предупреждению и устранению [5].

Значительный вклад в данном направлении внесли результаты исследований физических процессов и математических моделей динамики вагонов в работах П.С. Анисимова, Н.Л. Щукина, П.П. Мельникова, Н.П. Петрова, Н.Е. Жуковского, А.А. Попова, Е.Н. Никольского, В.Н. Котуранова, Л.А. Шадура, В.В. Лукина, Ю.С. Ромена, И.И. Челнокова, Н.А. Чуркова и др.

Ряд прикладных аспектов динамики вагонов рассмотрен в работах Михальцева, В.И. Дмитриева, Л.А. Кальницкого, В.Д. Хусидова, М.Ф. Вериго,

Ю.П. Бороненко, Н.К. Галахова, В.П. Клюка, А.М. Орловой, А.А. Львова, А.А. Хохлова, В.Н. Филиппова, П.А. Устича, П.И. Травина, Ф.П. Казанцева, И.К. Матросова, Б.Л. Карвацкого, В.М. Казаринова, В.Г. Иноземцева, И.Н. Новикова, Л.О. Грачёва, А.В. Смольянинова и др.

Математические модели процессов схода вагонов в аварийных ситуациях рассмотрены в работах М.В. Винокурова, А.А. Львова, Н.П. Петрова, В.В. Лукина, Ю.С. Ромена, А.А. Хохлова, В.Д. Хусидова, В.М. Рудановского и В.Н. Железняка.

Необходимость проведения комплексных исследований подтвердилась при увеличении количества сходов. Данные о техническом состоянии системы были сняты с помощью компьютеризированных вагонов-лабораторий до события и после схода. Поездные исследования оказались главным фактором при оценке схода подвижного состава в кривых малого радиуса, а также помогли провести анализ большого количества отклонений на разных участках.

1.2 Система диагностики для мониторинга технического состояния вагона и

пути

Путеизмерительный вагон-лаборатория имеет целевое предназначение для мониторинга и контроля технического состояния рельсовой колеи в процессе эксплуатации (рис. 1.2). Система диагностики и контроля пути и подвижного состава предоставляет на каждом этапе соответствующую информацию, необходимую для поддержания подвижного состава и пути в состоянии, позволяющем минимизировать расходы по обеспечению функционирования всей транспортной системы.

Поэтому в основе системы диагностики лежит анализ, который состоит из показателей, отслеживающих текущее состояние пути и факторов, влияющих на интенсивность его расстройства (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 - Вид экранной формы программы «Показатели путеизмерителя»

Основные показатели, которые отслеживает данная вагон-лаборатория выполняются в определённое время целевой проверки состояния пути, а также до и после схода подвижного состава. Замеры производятся в любое время года и климатических условий на качество показателей это никак не влияет.

Вагон-лаборатория состоит из определённых диагностических систем, заложенных внутри программного комплекса, который имеет большое количество задач при обследовании состояния пути.

Данный перечень должен состоять из следующих задач: - выборка данных, полученных с вагон-лабораторий, по степени опасности и опасными местами, указанными на режимных картах машиниста, который должен осуществлять данный контроль изменения скоростного режима в установленных пределах (рис. 1.4);

Рисунок 1.4 - Отклонения параметров пути

- состояние стрелочного перевода относительно оси пути в горизонтальной и вертикальной плоскости, а также контроль при боковых износах рельса и изгибе стрел рельсовой нити в определённых точках в соответствии с паспортом пути;

- определение основных характеристик пути программным комплексом;

- определение повторяемости отклонений за определённый период времени по сводным таблицам, полученным в процессе контроля параметров с поездной вагон-лаборатории в разный период;

- сравнительный анализ данных о состоянии пути предыдущих вагон-лабораторий и их сравнение с текущим состоянием пути;

- определение переходов с одного пути на другой при поворотах, особенно в опасных участках (координация и отклонения);

- контроль движения при проезде мостов и тоннелей (координаты);

- анализ данных, полученных с лаборатории в автоматизированном режиме и распечаткой документов для дальнейшего сравнительного анализа по выявленным отклонениям;

- обеспечение стабильной работы программного комплекса в процессе контроля пути;

- модернизация качественных показателей с учётом расширения базы данных.

Расширение функций программного комплекса при определённых запросах, связанных с повышением безопасности движения:

- проверка железнодорожного пути по дополнительным отклонениям;

- отклонения параметров пути при наличии дефектов на поверхности рельсов;

- характеристика основных свойств продольного профиля пути;

- анализ технического состояния и основные величины стыковых зазоров, температурные параметры рельсового пути;

- быстрота изменения скорости кузова и техническое состояние ходовых частей вагона;

- анализ величин оси пути в разрезе (поперечный профиль);

- алгоритм трансформации разрешения изображения для корректного получения и сохранения данных с местности

- расшифровка информации о состоянии пути не только при просмотре данных, но и с привязкой экспертной оценки разных участков пути и видеоинформации, а также ручных и голосовых функций о состоянии рассматриваемого объекта;

- мониторинг размеров мостов и туннелей, а также проверка верхнего строения пути и земляного полотна в целом;

- получение информации подповерхностных слоев земляного полотна с помощью георадиолокации;

- система видеонаблюдений рельсов и рельсовых скреплений;

- оборудование системой отопления на жидком топливе.

В основном приборами путеизмерителя регистрируются не результаты измерения геометрических очертаний рельсовой колеи, а некоторые параметры на базе измерения их производных: первой - для просадок (рис. 1.5), второй - при определении стрелы кривизны головки рельса в плане (рис. 1.6) [6].

Отображение путеизмерителем неровностей, которые непосредственно регистрируются его датчиками, не может дать достоверной информации о влиянии состояния пути на безопасность движения того или иного вида подвижного

состава, поскольку играют роль не отдельные отклонения в содержании пути, а совокупность их сочетаний [7].

Рисунок 1.5 - Рихтовка просадки правой и левой нити

Об этом свидетельствуют результаты одновременного измерения сил взаимодействия и геометрии пути: в целом ряде случаев опасно высокий уровень сил взаимодействия был зафиксирован не только при наличии больших отступлений по геометрии, но и в местах, где таких отступлений не было. В табл. 1.1 приведены характеристики пути с мест сходов [8, 9].

Таблица 1.1 - Геометрические показатели параметров пути с мест схода

Место и дата схода Скорость, км/ч Профиль пути Радиус кривой, м Возвышение наружного рельса в кривой, мм Непогашенное ускорение, м/с2 Дефект Степень дефекта Диапазон отклонений, мм Количество дефектов, шт.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Уровень 2 24 2

Перекос 2 20 13

Камарчага Подъем 7,3%о Просадка 2 25 8

Таежный 46 324 90 0,5 Сужение 2 6...15 7

12.03.2018 Уширение 2 6...15 20

Рихтовка 2 16 1

Перекос 3 25 1

Делюр- Спуск 9% Уровень 2 25 6

Тыреть 4960 км 12.01.2019 65 870 - - Перекос 2 20 2

Просадка 2 25 1

Уровень 2 24 8

Камарчага- Балай 29.09.2018 Перекос 2 20 51

50 Подъем 324 100 0,6 Просадка 2 25 25

7,5% Сужение 2 6.15 5

Уширение 2 6.15 40

Рихтовка 2 16 12

Вихоревка 10.09.2018 Уклон 13,4% Уровень 2 25 8

15 238 - - Перекос 2 20 3

Уширение 2 6.15 32

Сужение 2 6.15 42

1 4 1

Танхой-Кедровая, 5407 км 02.01.2017 Отступление 2 40 350

Подъем 2,6% в плане 3 50 1

75 1070 35 0,4 Перекос 2 20 736

3 25 3

Уширение 2 8.20 264

Отклонение 2 25 644

Просадка 2 25 876

Для создания полной картины последствий сходов необходимо рассмотреть влияние режима движения подвижного состава с помощью скоростемерных лент, снятых с тягово-энергетической лаборатории (ТЭЛ) [10], которая предназначена для обеспечения безопасного ведения подвижного состава и проведения

исследований в системе локомотива, а также для своевременных выявлений нарушений ведения подвижного состава (рис. 1.7).

40секунд при норме 60 секунд я 1

1 - г

ТЭЛ является одним из механизмов в достижении стратегических целей технической политики ОАО «РЖД» - повышение эффективности работы подвижного состава и безопасной эксплуатации при своевременном получении информации с вагон-лабораторий для обнаружения влияния различных факторов на режим ведения подвижного состава, что обеспечит уменьшение влияния тяги локомотива на весь состав в целом, а также выявит причинно-следственную связь при отклонениях в системе «вагон-путь» [11, 12].

Оценка зарегистрированных ТЭЛ показателей подвижного состава при его ведении позволяет раскрыть влияние технических параметров на взаимодействие системы «колесо-рельс». Полученные, обработанные и обобщенные параметры, которые сформированы из большого количества факторов в движении (скорость, рельеф пути, тип подвижного состава и т.д.), связывают различные элементы в единое целое [13].

Для статистически подтверждаемой взаимосвязи пути и подвижного состава проводят испытания с привлечением тягово-энергетической лаборатории, которая получает информацию о передаче нагрузок в режиме тяги с локомотива на вагон. Лаборатория представляет собой вагон, который укомплектован

специализированным оборудованием, с помощью которого происходит считывание информации с тензометрических датчиков установленных на автосцепном устройстве [14].

Данное устройство позволяет замерить продольные силы от тяги локомотива и тормозных си. Так же лаборатория оборудована измерительно-вычислительным комплексом, который обрабатывает информацию, полученную с тензометрического датчика, установленного на автосцепке, либо гидравлического кассетного однокамерного динамометра и преобразовывает её в таблицы и графики движения в реальном времени (рис. 1.8) [15,16].

Рисунок 1.8 -Тензометрический датчик на СА-3

Анализируя параметры, полученные с тягово-энергетической лаборатории, можно отследить изменения, происходящие в процессе ведения локомотива. Данная лаборатория предназначена для решения многих задач, которые обеспечат надежную эксплуатацию без отказов и отцепов вагонов в процессе движения:

- обозначение загруженности локомотивов для определения тяговых усилий, передаваемых с автосцепки (продольно-динамических), а также влияние данной нагрузки на устойчивость вагонов в рельсовой колее;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мартыненко Любовь Викторовна, 2025 год

\ /

\

/

/

5 /

и Ы JU 1U ии М ии 1Ъ ии * - 3t)

Точка начала торможения 1116 км 1 пк Скорость - 61 км/ч

Путь, м

-Профиль пути =Положение поезда на момент начала торможения

^Положение поезда при максимальной силе на сцепках -Положение поезда в момент начала отпуска

Рисунок 1.9 - Профильная карта

На профильной карте линиями представлено положение соединенного поезда на заданном профиле пути в периоды торможения:

- в момент начала торможения - черная линия, с красным треугольником, обозначающим положение головного локомотива;

- в момент полной остановки (для остановочных торможений) или начала отпуска (для торможений с последующим отпуском) - фиолетовая линия с фиолетовым ромбом, обозначающим положение головного локомотива;

- в момент возникновения в поезде максимальных продольных сил - зеленая линия с оранжевым крестом, обозначающим сечение поезда, в котором была зафиксирована максимальная сила.

На рисунке 1.10, показаны зарегистрированные тягово-энергетической лабораторией измерения:

- по горизонтальной оси приведена шкала времени торможения, которая смещена относительно начала торможения для изображения продольных сил, действующих в поезде, до начала торможения;

Рисунок 1.10 - Параметры, измеряемые тягово-энергетической лабораторией

- по вертикальной оси слева приведена объединенная шкала скорости (в километрах в час) и сила реакции в сечениях поезда (тонна-сила), справа приведена шкала давления (в МПа).

Параметры, измеряемые на тягово-энергетической лаборатории, показаны в движении:

- момента начала торможения и отпуска (для торможений с последующим отпуском) - вертикальная пунктирная линия;

- силы реакции в сечениях поезда - разноцветные линии в нижней части графика;

- скорости движения поезда - синяя линия в средней части графика;

- давления в тормозной магистрали и уравнительных резервуарах головного и хвостового локомотивов и в тормозных цилиндрах головного и хвостового вагонов. Эти линии имеют различные цвета и обозначены выносками с соответствующими надписями.

На рисунке 1.11 приведены силовые характеристики, снятые с тягово-энергетической лаборатории при тестировании поезда повышенной массы на перевальном участке пути, с локомотивом серий «Ермак».

в)

Рисунок 1.11 - Параметры, измеряемые тягово-энергетической лабораторией: а - усилие на автосцепке вагона лаборатории, тс; б - скорость (км/ч) и пневматические тормоза (атм.); в - режимная карта

Приведенные данные дают возможность оценить продольную динамику в прямых и пологих кривых, влияние их на боковые силы взаимодействия колесо-рельс при вождении тяжеловесных поездов по перевальным участкам дороги [22, 23].

Тип торможения взаимосвязан с характером изменения продольно-динамических сил сжатия, а также с характером распределения продольных сил в

головной и хвостовой части состава. Характер распределения сил в продольной динамике может быть достигнут благодаря более равномерному наполнению тормозных цилиндров вагонов головной и хвостовой части, чем при торможениях с более высоким темпом разрядки тормозной магистрали, а также при соблюдении скоростных режимов ведения поезда на прямом участке пути и в кривых малого радиуса [24].

Длина и вес состава зависит от типа перевозимого груза и, соответственно, тяговые усилия, которые распределяются по всему составу будут неравномерными: чем ближе вагон к голове состава, тем больше величина передаваемых нагрузок. В процессе эксплуатации в вертикальной и горизонтальной плоскости возникают различные усилия, как положительные, так и отрицательные, что влияет на динамику движения состава в целом, это также определяется зазорами между деталями и понижением вагона за счёт износа узлов и деталей. Также на усилия, возникающие в составе в процессе эксплуатации влияет как профиль пути и отклонения в виде дефектов на деталях и узлах, так и износ рельса, особенно на опасных участках, которыми являются кривые малого радиуса и переходные кривые. Данные усилия могут различаться в числовом значении и могут достигать частоты колебаний более 100 Гц.

Динамика движения может значительно отличаться от стандартных поездов, так как инновационные вагоны могут брать груз порядка 80 т на один вагон, что значительно больше по сравнению со стандартными 60-70 т. Различается и нагрузка на ось: 25 тс, вместо 23,5 тс у обычных вагонов, поэтому тяговые усилия в таких составах могут значительно отличаться. Всё это, а также ограниченность поглощающих аппаратов могут привести к большим импульсным усилиям в сечениях поезда и быть больше силы тяги локомотива [25]. Автосцепное устройство тоже берёт на себя большие нагрузки, соответственно, увеличение значений растягивающих и сжимающих усилий влияет на работу автосцепного устройства. Его прочностные характеристики могут ухудшится в процессе длительных передач нагрузок на данное устройство. Возникновение продольных сил обусловлено особенностями эксплуатации: при проходе опасных участков

пути, где возникают силы, влияющие на устойчивость вагона, а также при разных режимах движения, когда растягивающие силы меняются в зависимости от состава, его загруженности и расположения порожних вагонов среди гружёных. Если порожние вагоны располагаются в середине или в голове состава, то на них сзади давят груженные вагоны и продольная сила может увеличится в разы, что приведёт к выжиманию вагонов. На сегодняшний день порожние ставят в середину груженных чем создают дополнительные продольно-динамические усилия, влияющие на выжимание таких вагонов из состава, что может привести к сходу.

В настоящее время значения, которые приведены в нормативных документах, должны полностью соответствовать эксплуатационным значениям, чтобы не нарушать уровень безопасности движения подвижного состава. Данные значения полно отражены в стандарте СТО «РЖД» 1.07.002-2010 «Инфраструктура железнодорожного транспорта на участках обращения грузовых поездов повышенного веса и длины. Технические требования» [26].

Уровень растягивающих сил для груженных вагонов может повлиять только на прочность автосцепного устройства, а вот порожние вагоны имеют определённые значения растягивающих и сжимающих сил (< 392,4 кН в кривых до 150 м и 490,5 кН в кривых большего радиуса) (табл.1.2) [27].

Таблица 1.2 - Квазистатические силы вагонов с разной массой груза

Вагон с массой груза, т Нагрузка на ось, т Радиусы кривых, м

150 200 250 400 700 и более

Растягивающие силы в движении, кН

0 5,5 392,4 490,5 490,5 490,5 490,5

10 8,0 686,7 784,8 882,9 1177,2 1275,3

20 10,5 981,0 1079,1 1177,2 1275,3 1275,3

30-70 13-23 1275,3

Сжимающие силы, кН

0 5,5 392,4 441,4 490,5 490,5 490,5

10 8,0 588,6 637,6 686,7 735,7 784,8

20 10,5 784,8 833,8 882,9 931,9 931,9

30-70 13-23 931,9

Нормативные значения по усилиям, создаваемым в автосцепном устройстве ограничены, как для порожних, так и для груженных вагонов. Сжимающие силы могут занять позицию «ёлочки», т.е. встать под углом к оси пути, данная позиция повлияет на устойчивость вагонов и может привести к аварийной ситуации. Ограничения по уровню сжимающих сил более жесткие как для порожних вагонов, так и груженых. Прочность автосцепки должна быть в пределах 931,9 кН, что намного меньше значения по устойчивости пути.

Продольно-динамические силы подвижного состава возникают при неравномерном торможении, которое может длиться долгое время. И чем больше времени проходит, тем больше угроза схода вагона, особенно порожнего или мало груженного, а при небольшом времени торможения, но при усилиях больше нормы, может произойти поломка автосцепного устройства, что также приведёт к сходу вагонов.

Аварийные ситуации на сегодняшний день имеют большое количество причин, которые делятся на три составляющие:

- системы, которые отвечают за безопасность движения подвижного состава;

- режим движения;

- продольно-динамические силы, которые возникают при взаимодействии вагонов с локомотивом. Они всегда имеют динамические всплески, которые сопровождаются особенностями режимов ведения подвижного состава и конкретно создаваемыми силами при определенном расположении вагонов в составе [28].

На рис. 1.12 представлены фрагменты скоростемерных лент, которые указывают на отклонения режима ведения подвижного состава, создающие дополнительную динамику. Это не обязательно приводит к сходу, а показывает нарастание отклонений в механической части вагонов, которые в процессе эксплуатации будут увеличиться и провоцировать разные динамические всплески во всей системе «локомотив-вагон-путь».

а)

б)

Рисунок 1.12 - Расшифровка скоростемерной ленты: а - экстренное торможение; б - отпуск тормозов у части вагонов

Динамическое воздействие оценивается с помощью лент, полученных с вагон-лабораторий. Тягово-энергетическая лаборатория отслеживает режим ведения подвижного состава в процессе эксплуатации, что позволяет оценить взаимосвязь нагрузок с учётом особенностей пройденного участка в кривых и на горно-перевальных участках пути. Статистические данные указывают на то, что переходные кривые, а конкретно переход с прямого участка в кривой и обратно вызывают увеличение непогашенного ускорения, которое приводит не только восхождению гребня колеса на рельс, но и увеличивает боковые силы, которые опрокидывают вагон [29].

Ещё одним инструментом для проведения ходовых испытаний деталей и узлов вагонов является лаборатория «Колёсные пары и буксовый узел» разработанная во ВНИИЖТ.

1.3 Анализ технического состояния колёсных пар

Значительный практический интерес представляют методы снижения износа колеса при движении в кривых и на затяжных спусках-подъёмах. В связи со значительным увеличением количества сходов, в том числе в горно-перевальных участках, были проведены исследования изменения геометрических параметров колёс и гребней. По материалам обмеров гребней и поверхностей катания колёс (обследовано более 15000 колёсных пар) с помощью прибора для бесконтактного лазерного сканирования - профилометра ИКП-5 (производство ООО «РИФТЕК», г. Минск) получена информация об отклонении реального профиля колеса от нормативного [30]. Кроме того, были определены степень и характер износа гребней и поверхностей катания колёс.

На рисунке 1. 13 показан профилометр и эталонный профиль поверхности катания колеса, внесённый в программу прибора.

а) б)

Рисунок 1.13 - Лазерный профилометр поверхности катания колесных пар: а - эталонный профиль катания колеса; б - дефектная ведомость

Лазерный профилометр является шаблоном, который может не взаимодействовать с поверхностью катания [31]. Данное устройство предназначено для осмотра и контроля технического состояния колёсных пар в процессе эксплуатации, а также передаёт информацию на в базу данных, что поможет сделать сравнительный анализ и на его основе построить графики. В процессе исследований на ВСЖД были проведены замеры толщины гребня колеса, крутизны гребня дЯ, проката, результаты которых представленные на рисунке 1.14 [32, 33].

По результатам выполненных обследований и замеров более 15 тыс. колёс инновационных вагонов со сроком службы 0,6...2 года, находящихся в эксплуатации на замкнутом круге Тайшет-Иркутск-Улан-Удэ (уголь), Улан-Удэ-Иркутск (гравий), выявлено, что причиной изменения геометрии гребней колес (износа) послужило наличие поперечных сил в месте контакта колеса с рельсом, возникающих в кривых участках пути. Величины износа гребней колес показаны на рисунке 1.15 [34, 35].

/ ГгоыеГрИЧесюк гаршнрнкпла^ (им) жни С ЫЛСС0

/ \\ ПъкроньК ВДШХрЫ ЭтЛЗОН

1 \ То.тщна гр«ня Г.-1И 32,41

1 \ Книгам цБ Ш4

По сот ЗЛб <ш

— —

Ч

¡й!-

О 1В 30 и 4а ¡0 М То ВО ЭД 1Ю но 130 1» 1411

X

а)

\\ ГсФЖТрЕГКСЫК [цргмггр^!ШС(9| Гымн правое кол«»

( \\ НиКрсНМ! К ПЦМЫНрН Эттон

'7' 5 / V ТвЯЩЦВ ГрсиНЯ

К^упгаи [¿Е: т 105-1

„ \ Црокп 0,00

\ V \

V —

— ---_

О К » » « » Ю ГО » « А» 110 120 150 140

б)

Рисунок 1.1 4 - Диаграмма износа поверхности колеса в процессе эксплуатации: а - для левого колеса; б - для правого колеса

0,35 0,3 0,25

ч

о

* 0,2

н ' и

| 0,15

Л

Р

0,1 0,05 0

., I

1

24,00 25,00 26,00 27,00 28,00 29,00 30,00 31,00 32,00 33,00 34,00

Толщина гребня, мм

Рисунок 1.15 - Величина износа гребней колёсных пар грузовых вагонов

Разность толщин гребней колес в одной колесной паре, обусловленная перекосом осей и разностью диаметров колес представлена в таблице 1.3 [36].

Таблица 1.3 - Разница толщины гребней в колёсной паре

Разность толщин гребней

в одной колёсной паре, Частость, ед.

мм

1,5 0,4

0,5 0,27

2,5 0,2

3,5 0,1

4,5 0,03

5,5 0,01

Представлены данные о замерах гребней с разной толщиной в одной колёсной паре (рис. 1.16). Приведённые результаты показывают, что более чем в половине обследованных колёсных пар разнотолщинность достигает 0,5... 1,5 мм.

0,45

6,5

Рисунок 1.16 - Плотность распределения средней толщины гребня колеса в

колесной паре

Результаты исследования поверхностей катания колес показывают наличие значительных боковых биений гребня по окружности колеса. Выявлены значительные отклонения от концентричности поверхностей катания

(максимальные значения до 2,7 мм) и существенное влияние отклонений от концентричности колес на образование усталостно-контактных повреждений поверхности катания колес (65%) [37].

Исследования, проведённые в области замеров колёсных пар, показали, что расстояние между внутренними гранями ободьев колёс не соответствует нормативному, и износ в кривых участках пути происходит от увеличения радиуса кривой, технического содержания пути и подвижного состава (рис. 1.17) [38,39].

16

о

^ 14

0 И

Н 12

■а

я

5 10

а

н

1 8

и о

ев 6 ео

§ 4 и

о Й 2 5

О 0

н

о

о4

15,8 15,7

14 ~> 14,1

9,8 10 ,4

6 3 5,7

1

2,6 2,2 11 ■ 1 23

0,6 0,2

ОЗ ОЗ

К К ОО" ОО" аз" аз" о" о" «Ч «Ч гС гС т" т"

т т т т т т

^ ^ ^ ^ ^ ^

С5 013 УЗ С5 1Л О УЗ о0 УЗ сз УЗ сз УЗ

К г-Т т 00 аз" аз" о" о" «Ч <4 гС гС т" т"

т т т т т

^ ^ ^ ^ ^

Замеры расстояний, мм

Рисунок 1.17 - Диапазон отклонений между внутренними гранями ободьев колёс

в процессе эксплуатации

р18

1.4 Статистические данные по повреждаемости элементов подвижного

состава

Динамическое воздействие от вагона на путь оказывает существенное влияние на техническое состояние механической системы подвижного состава. Оно определяет отклонения, возникающие в процессе эксплуатации, реакции рельсов, которые передаются в процессе эксплуатации на колёсную пару [40].

Большая степень износа наблюдается на колёсах вагонов в процессе эксплуатации, когда у вагонов изменяются геометрические параметры колес, снижаются прочностные характеристики и качество металла на поверхности катания, следовательно, снижается безопасность движения на железнодорожном транспорте [41].

Вместе с тем, статистика отцепок вагонов по неисправностям колесных пар на Восточно-Сибирской железной дороге за период 2016-2020 гг. свидетельствует о повышении количества отказов грузовых вагонов в эксплуатации (рис. 1.18).

Рисунок 1.18 - Количество отцепов грузовых вагонов.

Согласно данным, представленным на диаграмме распределения отцепок вагонов, можно наблюдать рост количества отцепленных вагонов в 2018 году на 14,5% по сравнению с предыдущим годом. Вероятно, это связано с нарушением технологии ремонта подвижного состава и рельсового пути, в результате чего на колесных парах появляются такие дефекты, как выщербины, неравномерный прокат, ползуны и др. [42].

Основными неисправностями колесных пар на ВСЖД являются: тонкий гребень, выщербины и неравномерный прокат по кругу катания колеса. Образование тонкого гребня можно объяснить наличием большого количества кривых малого радиуса, что приводит к его интенсивному износу. Выщербины и

неравномерный прокат по кругу катания возникают при прохождении колесными парами рельсовых стыков, стрелочных переводов и неисправностей рельсового пути. Для обеспечения безотказной работы железнодорожного транспорта и предотвращения крушений подвижного состава необходимо осуществлять контроль технического состояния колесных пар в эксплуатации.

1.5 Движение подвижного состава в переходных кривых. Характеристика

переходных кривых

Основным фактором в вопросе безопасности движения подвижного состава в рельсовой колее является изменение величины боковых сил, возникающих при взаимодействии колеса с рельсом. Динамика изменения действующих сил в процессе эксплуатации зависит не только от режима ведения подвижного состава, но и от возникновения непогашенного ускорения, которое увеличивается в данных участках с учётом отклонений, и других различных факторов. Центробежная сила, которая возникает в данных участках, напрямую зависит от коэффициента, который рассчитывается в соответствии с включением в него тех факторов, которые могут спровоцировать увеличение центробежной силы и привести к опрокидыванию вагона. Для уменьшения данного коэффициента необходимо контролировать численные параметры расстояний между кругами катания 25, возвышение наружного рельса и техническое состояние пути, которое может повлиять на вагон при прохождении данного участка (рис. 1.19).

В участках где возвышение рельса не соответствует своему значению возникают большие боковые силы, которые складываются из центробежных сил и расстояний от точек приложения сил Нц и Нв до рассчитываемых деталей. При данных расчётах учитывается нормированное значение, а когда есть отклонения в техническом состоянии вагона и механической части, естественно, числовые параметры меняются и при подстановке в формулу расчёта боковой силы меняются значения в большую сторону.

Сила давления ветра, которая создаётся нормированным показанием на площадь, может сыграть большую роль, если боковая сила увеличена в связи с изменениями в механической системе или расстояниями, которые изменились при износе деталей и узлов в процессе эксплуатации [43]. Поэтому уширение колеи или несоответствие возвышения вызывают большие динамические силы, которые могут привести к опасным последствиям. Необходимо, чтобы любые дополнительные силовые факторы (силы и моменты) изменялись постепенно и были равны нулю в начале (НКП) и конце (КПК) переходной кривой, а абсолютные значения и интенсивности (градиенты) их изменения в пределах переходной кривой не выходили за допустимые значения, что обеспечивается при соблюдении требований, указанных в таблице 1.4. [44, 45]

Первые три требования говорят о недопустимости внезапных изменений в начале и конце опасного участка, т.е. в начале и конце переходной кривой, а также на протяжении всего участка. При вхождении вагона в переходной участок создаются силы, которые влияют на устойчивость вагона, особенно если присутствуют отклонения в техническом состоянии вагона.

Таблица 1.4 - Характеристика переходной кривой

№ Характеристика Содержание требований

НПК КПК Переходная кривая

1 у = 1 Sinydl Jo f1 0 Изменения происходят непрерывно.

0 Не Абсолютные значения и

2 Ф = 1 kdl ограничива градиенты их изменения по

0 ются длине не должны выходить

3 K=1/p 0 за допустимые значения

4 dk/dl 0 0 То же, кроме требования

5 d2k/dl2 0 0 «монотонно»

Четвёртым требованием являются определённые показатели к возвышению наружного рельса над внутренним в кривой и переходной прямой. Начало переходной кривой может быть обусловлено наличием увеличения показателей, влияющих на прохождение данного участка составом. Ограничения, которые вводятся при прохождении данного участка, связано не только со скоростными режимами и их нарушениями, но и с нарастанием непогашенного ускорения в таких участках. Это обусловлено отклонениями на участках возвышения наружного рельса от нормированных значений, которые установлены на каждом участке. Первые метры участка (когда только заходит в переходной участок) локомотив проходит с ограниченной скоростью. По статистическим данным сходы происходят как раз в этом месте, т.е. начале переходной кривой.

Пятое условие должно обеспечивать нормирование сил, возникающих в процессе эксплуатации на данном участке. По требованиям к движению по переходной кривой угол наклона оси колёсной пары должен быть равен соотношению возвышения и ширины колеи, т.е. синусу этого угла [46]. Если есть изменения в параметрах ширины колеи в пределах переходной кривой, то будем считать S1 = const. При движении колёсной пары по переходной кривой её наклон изменяется. При этом угловая скорость изменения наклона равна

da _ 1 dh _A0db

dy Sl' dt SLdt

(1.1)

Скорость поступательного движения равна ^ = ~~; отсюда & = Поэтому

ач а о^у йк , 1 _ч

М = Б М. ( . '

Угловое ускорение при постоянной скорости V равно

_ Ао^У а(!щ) _ Лр •У2 а2к

м2 аг б1 м2

Из этого выражения вытекает, что для того, чтобы угловые ускорения изменения наклона осей в НПК и КПК были равны нулю, а на переходной кривой менялись непрерывно, и чтобы абсолютные значения этих ускорений и градиенты их изменений по длине переходной кривой не выходили за допустимые значения, необходимо эти же требования предъявить и ко второй производной кривизны по длине переходной кривой, что и записано в виде пятого условия в таблице 1.4.

Выполнение всех пяти требований создаёт наилучшие условия прохода подвижного состава по кривым, что особенно важно для горно-рельефной местности ВСЖД.

Длины переходных кривых определяются рядом условий, которые можно разбить на следующие три группы. Первая группа условий связана с отводом возвышения наружного рельса в пределах переходной кривой:

- предотвращение схода колес с рельсов внутренней нити;

- ограничение вертикальной составляющей скорости подъёма колеса на возвышение;

- ограничение скорости нарастания непогашенной части центробежного ускорения.

Вторая группа условий связана с наличием зазоров между гребнями колес и рельсовыми нитями:

- потери кинетической энергии при ударе колеса первой оси о рельс наружной нити;

- значение горизонтальной составляющей ускорения свободного падения, появляющейся непосредственно перед точкой, до которой экипаж движется прямолинейно (не учитывая виляния);

- интенсивность нарастания этого ускорения;

- значения внезапно появляющегося центробежного ускорения.

Третья группа условий связана с необходимостью обеспечения практической возможности разбивки на местности переходной кривой и дальнейшего исправного её содержания, для чего её геометрические размеры должны быть достаточными.

В качестве примера представлены характеристики кривой участка Кедровая-Танхой (табл. 1.5), на котором зарегистрировано несколько сходов подвижного состава. Указанные параметры и характеристики кривой (профиль пути, радиус, боковой износ рельса, скорость, непогашенное ускорение, угол поворота тележки) являются основными при расследовании причин аварийных ситуаций и сходов [47].

Таблица 1.5 -Характеристики кривой на участке Танхой-Кедровая

Направление: ШС7(Иркттск - Чита) Пта: 1 Дата проезда: 21.03.2017

Участок: Кироеал (5405)-Танюй (5419) ПЧ: 10 Км: 5406-5408

Правая 93 Характеристики кривой 1-Й отвод переходные 2-Й отвод

Начало рази. Конец р15И. Длина разн. Угол Макс. Сред. Длина Макс. Сред. 1лииа

ш и и ЕМ ы И и и град. МММ МММ м МММ мм'м м

план 5407 674 5408 255 587 27.66 0.58 0.48 83 0.68 0.56 58

уровень 5407 685 -И 5408 260 -5 581 6 0.55 0.44 61 0.58 0.47 58

Характеристики однорадиусной кривой Тип Ани ср Аил таг Ттах Уш Укр \'пр \'И5

Начало раза. Конец рази. Длина разн. Рад„'Уров.;Ша6. Пасс. 0.50 0.58 0.22 100 107 140 134 105

ЕМ н н км м н и и пш шах ср.

план 5407 "56 5408 196 446 1004 1214 1069 Груз. 0.24 0.31 0.09 80 107 140 134 М

уровень 5407 746 1С 5408 202 -6 462 -16 28 43 35

шамон 1521 1532 1527 159 221

Еоы. износ: >6мм = ^м >10ыи= Ом | >15мм = 0ы 7.0 4.0 Р=0.71 V 4)3 = 84

Увеличение непогашенного ускорения в начале переходной кривой должно быть ограничено, так как факторы, влияющие на его изменение, связаны не только с режимом ведения состава, но и с расположением опасных участков, в которых возникают дополнительные боковые силы. В настоящее время уделяется внимание скоростным режимам ведения поезда, особенно в кривых и переходных кривых, радиус кривизны которых не является постоянной величиной, и задача

прохождения подвижного состава этих участков пути является важной при расследовании аварийных ситуаций [48].

Основными параметрами, определяющими безопасность движения и износ рельсов, являются величина и характер изменения сил, возникающих при взаимодействии пути и подвижного состава, а также длины переходных кривых. В кривых участках пути для уравновешивания центробежных сил наружная рельсовая нить расположена выше внутренней. Максимальное возвышение наружного рельса в кривой определяется с учетом скорости и радиуса кривизны и не должно превышать 150 мм. На линиях с грузовым и смешанным движением поездов наименьшее воздействие на путь в кривых, снижающее интенсивность расстройства и износа элементов пути производится при а близком к нулю при средневзвешенной скорости движения грузовых поездов. Для этого на линиях со специализацией О, Г, Т непогашенное ускорение в грузовых поездах должно находиться в диапазоне ± 0,3 м/с при фактически реализуемых скоростях движения [49].

Увеличение непогашенного ускорения в грузовых поездах более диапазона + 0,3 м/с2 допускается при наличии технико-экономического обоснования (на направлениях с большой разницей между максимальными скоростями пассажирских и грузовых поездов). Данные варьируются в зависимости от максимально допустимой крутизны отвода возвышения наружного рельса и скорости движения. При увеличении скоростей непогашенное ускорение (при расчётах величина непогашенного ускорения принятой равной 0,3 м/с2 в круговой кривой, а возвышение наружного рельса - 90... 150 мм) увеличивается и варьируется от 0,3 до 0,95 м/с2.

Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования

1) Проведённый анализ современных исследований и работ в области динамики подвижного состава показал, что обеспечение безопасности движения составов на горно-перевальных участках, в том числе при прохождении кривых

участков пути, изучены в настоящее время недостаточно полно, что связано с малым числом наблюдений и недостаточной разработанностью методик расследования причин сходов. Дополнительных исследований требуют вопросы обеспечения безопасности движения системы «локомотив-вагон-путь», классификации причин сходов и выявления опасных сочетаний неисправностей в элементах системы.

2) Для проведения полного исследования необходимо использовать специализированный инструмент и лаборатории, такие как вагон-лаборатория, тягово-энергетическая лаборатория, лаборатория «Колёсные пары и буксовый узел», лазерный профилометр поверхности катания колёс и др.

3) Исследование поверхности катания колёс показало наличие значительных боковых биений гребня по окружности колеса. Выявлены отклонения от концентричности поверхности катания до 2,7 мм, что приводит к образованию контактно-усталостных повреждений.

4) Анализ переходных кривых железнодорожного пути показал, что для осуществления безаварийного движения необходимо соблюдение пяти требований к содержанию кривых участков пути, учитывающих недопустимость внезапных изменений в НПК и КПК, криволинейность отвода возвышения наружной нити пути при воздействии силовых факторов.

В результате выполненного анализа опубликованных данных по проблеме безопасности движения в кривых и на горно-перевальных участках пути можно сформулировать следующие направления исследований:

- проведение анализа и систематизации данных о техническом состоянии вагона, локомотива и пути, полученных с прицепных вагонов-лабораторий в кривых и на горно-перевальных участках;

- количественная и качественная оценка взаимодействия подвижного состава и пути;

- проведение анализа поперечных сил и ускорений вагонов, отклонений состояния рельсовых нитей и скорости движения в кривых и на горно- перевальных участках, а также определение наиболее опасных их сочетаний;

- разработка эффективных показателей безопасности движения вагона и возникновения аварийных ситуаций, основанных на анализе отклонений параметров состояния подвижного состава;

- разработка конструктивных и технологических рекомендаций, направленных на повышение безопасности при движении в кривых и на горно -перевальных участках.

Цель диссертационной работы - повышение безопасности движения железнодорожного подвижного состава в кривых и на горно-перевальных участках пути на основе разработки показателей безопасности, определяемых отклонениями параметров состояния подвижного состава с учётом технического состояния пути, а также режимом его движения.

Задачи и логическая схема исследований приведены на рисунке 1.20.

Рисунок 1.20 - Задачи и логическая схема исследований

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАССЛЕДОВАНИЯ ПРИЧИН АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ В КРИВЫХ И НА ГОРНО-ПЕРЕВАЛЬНЫХ УЧАСТКАХ 2.1 Построение математической модели оценки опасности аварийных ситуаций и формирование типов причин сходов подвижного состава

В настоящее время, несмотря на соблюдение требований безопасности движения подвижного состава, число сходов продолжается оставаться высоким. За последние 5 лет количество сходов грузовых поездов по ВСЖД составило: 2016 г. - 19, в 2017 - 7, в 2018 - 7, в 2019 - 5, в 2020 - 10, в 2021 - 14, 2022 - 11, 2023 - 12. Важной задачей является разработка адекватных и эффективных мер по предупреждению аварийных ситуаций и повышение достоверности выявления причин сходов и причастности к ним определённого типа причин. С увеличением роста объёмов железнодорожных перевозок и их скорости возрастает нагрузка на подвижной состав и путь в целом [50].

Существенной ролью в обеспечении безопасности движения является выявление причин аварийных ситуаций и разработка на этой основе соответствующих рекомендаций. Значимым фактором в этом процессе являются также анализ и оценка причастности различных отклонений в параметрах системы «локомотив-вагон-путь» к факту схода вагона или других аварийных ситуаций. Повышенная нагрузка на детали вагона и на путь увеличила количество отказов в процессе эксплуатации и снизила срок их межремонтного пробега [51, 52]. Данное увеличение привело к ухудшению технического состояния системы «локомотив-вагон-путь» и повлияло на тенденцию роста количества сходов грузовых вагонов в кривых и на горно-перевальных участках пути. В частности, по данным расследований аварийных ситуаций количество сходов вагонов в таких участках вследствие различных отклонений состояния системы за период 2016-2024 гг. увеличилось более чем вдвое. В этой связи существенное значение для обеспечения безопасности движения приобретает расчётно-эмпирическая оценка и классификация опасности различных отклонений характеристик состояния

системы, а также разработка математических моделей указанных процессов и ситуаций [53].

Рассматриваемая проблема в настоящее время частично решена на основе расследования причин возникновения повреждений и аварийных ситуаций в системе «вагон-путь», последующего выявления в этой системе наиболее опасных повреждений и разработки соответствующих рекомендаций, направленных на повышение безопасности движения в кривых и на горно-перевальных участках [54, 55].

Анализ причастности различных классов отклонений к факту схода в системе «локомотив-вагон-путь» используется при расследовании аварийных ситуаций. Таким образом было исследовано более 20-ти сходов, произошедших на ВСЖД за период 2015-2023 гг. Оказалось, что все эти сходы локализуются на первых 5...20 м переходной кривой, что объясняется рядом особенностей переходных кривых горно-перевальных участков: увеличенной по сравнению с прямыми участками пути шириной колеи, возвышением наружного рельса и значительным (до 0,95 м/с2) при максимально допустимом значении 0,3 м/с2 по величине непогашенным ускорением (рис. 2.1) [56].

и

со К

о ^

и

и

в й

о

к

0.8 0;7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 ОД о

ангт= =0;1 57м/с2 1 1

Г

-1" 1 А

| | ^нгг =0.373 . Э™— 0 5Ь1иА^ 1

1 =0 29 м с: Р!=63[ - \f-Kti =324м

Я=87 С мл

В А =635 1

=45 э

10 20 30 40 50 60 70 Скорость движения б кривой, км/ч

80 90

Рисунок 2.1 - Значения непогашенного ускорения в момент схода, определяемые скоростью движения в кривой и возвышением наружного рельса

Для процесса эксплуатации существенный интерес представляет оценка опасности непогашенных поперечных ускорений вагонов, ведущих к их сходам. Из представленных результатов следует, что сочетание отклонений возвышения рельса в кривой с превышением скорости представляет собой особую опасность и требует усиления контроля за содержанием пути и скоростным режимом. К опасным также следует отнести сочетание превышения скорости движения и просадки пути. В частности, просадка пути 2-3 степени приводит, как правило, к сходу при движении с максимальной допустимой скоростью. В табл. 2.1 приведены значения основных характеристик движения, соответствующих событию схода вагонов на различных участках ВСЖД.

Таблица 2.1 - Технические характеристики схода

№ Участок Скорость км/ч Осевая нагрузка, кН йнп, м/с2 Кдг Рамная сила, кН

1 Кешево-Таргиз 55 227,5 0,119 0,18 40,95

2 Нижнеудинск-Тайшет 78 229,3 0,44 0,249 57,1

3 Касьяновка-Половина 62 230,3 0,46 0,201 46,3

4 Талдан-Гудачи 49 230,3 0,29 0,162 37,31

5 Атамановка-Кручина 53 232,5 0,67 0,174 40,45

6 Танхой-Кедровая 77 215,8 0,43 0,246 53,1

7 Камарчага-Таежный 46 222,9 0,5 0,153 34,1

8 Залари-Тыреть 44 230,3 0,34 0,147 33,85

9 Камарчага-Балай 50 230,3 0,6 0,165 37,9

10 Делюр-Тыреть 65 230,0 0,37 0,21 48,36

11 Черная-Среднеилимская 58 230,3 0,95 0,189 43,5

12 Слюдянка-Ангасолка 51 225,4 0,62 0,168 37,86

Факты расследований сходов, произошедших в кривых и на горноперевальных участках ВСЖД, представленных в табл. 2.1, показывают, что влияние на сход оказывают скоростные режимы ведения подвижного состава, величина непогашенного ускорения, осевые нагрузки, рамная сила и коэффициент горизонтальной динамики. Зависимость непогашенного ускорения и коэффициента горизонтальной динамики представлена на рис. 2.2 [57].

Рисунок 2.2 - Зависимость коэффициентов горизонтальной динамики на участках

сходов

Анализ ситуаций конкретных сходов, представленных на рисунке 2.3, показывает, что сходы подвижного состава грузовых вагонов происходят на начальных участках переходных кривых, длина которых в горно-перевальных участках составляет 80-160 м. В связи с выявленной особенностью локализации сходов в начале переходных кривых с целью повышения безопасности движения состава рекомендовано обозначать опасные начальные участки длиной 5-20 м, например, цветоотражающими средствами.

Рисунок 2.3 - Длины переходных кривых при сходах

Необходимо отметить, что применение описанной методики, основанной на выделении классов причин и применения мер близости, связанных с введёнными классами, позволяет оценить степень причастности каждого из введённых классов к аварийной ситуации, что существенно для обеспечения безопасности движения. В тоже время на практике к сходу часто приводят некоторые устойчивые сочетания отклонений параметров, относящихся к различным классам системы «локомотив-вагон-путь». Для выявления и исключения таких сочетаний из практики эксплуатации подвижного состава необходим обстоятельный анализ возможных причин схода [58].

Указанный подход недостаточно полно учитывает влияние нарушений скоростного режима в сочетании с другими отклонениями, а также степень опасности различных отклонений элементов системы «локомотив-вагон-путь» при движении на горно-перевальных участках. В частности, недостаточно полно оценено влияние непогашенного поперечного ускорения, возникающего при движении состава в таких участках (уклон пути 8-25%о), в том числе при сочетании с просадкой пути, скоростным режимом и нарушением норм возвышения наружного рельса в кривой. Кроме того, недостаточно полно изучено влияние износа поверхностей катания колёс и гребней при движении в кривых и на горноперевальных участках пути [59].

Развитие расчётно-эмпирического подхода и математических моделей оценки опасности отдельных неисправностей в системе «локомотив-вагон-путь» и их сочетаний, а также разработка рекомендаций, направленных на выявление причин возникновения аварийных ситуаций и повышение безопасности движения в кривых и горно-перевальных участках пути, является актуальной задачей.

Уровень безопасной эксплуатации подвижного состава на железных дорогах определяется многими факторами. Когда происходит сход, в первую очередь определяется наличие изломов и трещин деталей и узлов вагона, после рассчитываются силы, которые могли привести к данному событию и определяется запас устойчивости вагона от схода с рельсов. Рост грузонапряженности и скорости движения на сети железных дорог приводит к существенному повышению

количества повреждённых колёс и рельсов, а также, как следствие, к повышению вероятности схода вагона из-за повышения уровня силового взаимодействия колёс и рельсов. Поэтому уровень эксплуатационной безопасности вагона, как механической системы, определяет, главным образом, техническое состояние вагона и пути в целом.

Известно, что процесс движения вагона приводит к появлению горизонтальных поперечных (относительно направления движения) сил, которые определяются уровнем взаимодействия гребней колёс с рельсами. Характер возмущенного движения вагона приводит к появлению горизонтальных поперечных по отношению к оси пути перемещений. При относительно низких скоростях движения, силы, возникающие после выбора зазоров в колее и при упирании гребней колёс в головки рельсов, при определённом уровне неровностей не опасны для системы «колесо-рельс». Но при увеличении скорости движения вагона эти силы возрастают так, что появляется угроза безопасности движения и возрастает вероятность схода с рельсов [60].

Расчётные схемы, применяемые для исследования устойчивости невозмущённого движения, представляют собой нелинейные системы. Нелинейности имеют место вследствие зазоров в буксовых узлах, скользунах и тому подобных соединениях, нелинейности сил взаимодействия колёс с рельсами. А в настоящее время нелинейности присутствуют и в некоторых типах рессорного подвешивания.

При движении в кривой, как известно, тележка совершает сложное движение. Повороту и поперечному смещению тележки препятствуют силы трения между колёсами и рельсами. На тележку действует часть центробежной силы, не уравновешенная возвышением наружного рельса и зависящая от скорости движения, и направляющее усилие со стороны наружного рельса [61].

Устойчивость колёсной пары против схода с рельса проверяется для наиболее опасных случаев сочетания большой поперечной силы взаимодействия набегающего колеса с рельсом и малой вертикальной нагрузки на колесо [62]. При этом возможно вползание гребня набегающего колеса на головку рельса и

последующий сход вагона с рельсов [63, 64]. Оценка устойчивости производится при помощи коэффициента запаса устойчивости колёса против схода с рельса по формуле (2.1).

^ = & (2.1) ук 1 + ЪР Рб ^ ( )

где в - угол наклона образующей гребня колеса к горизонтальной оси; для стандартного профиля поверхности катания в = 60°; Л - коэффициент трения, принимаемый ¡л = 0,25;

Рб - горизонтальная составляющая силы реакции набегающего колеса на головку рельса, действующая одновременно с Рв1, Рв2;

Рв1 - вертикальная составляющая силы набегающего колеса на головку рельса. Усилия Рв1, Рв2 для существующих конструкций вагонов определяются по формулам (2.2) и (2.3):

Рв1 = Ро ■ Рв2 = Ро

Ь — а2

Т~

■(1 — кдв)— Ькдб

Ь — а„

Ь—а1 .(1 — кдв)+ Ькдб

/

Ь — а1

— НР~1 + Ркп /

(2.2) (2.3)

г

Р

кп

/

где р0 - осевая статическая нагрузка, р0 = 228 кН;

Ркп - собственная сила тяжести колесной пары, Ркп =12,289 кН; Ь - половина расстояния между серединами шеек оси, для стандартных осей Ь = 1,018 м;

I - расстояние между точками контакта колес с рельсами, I = 1,555 м; а1, а2 - расстояние от точек контакта до середины шеек, а1 = 0,217 м, а2 = 0,264 м;

г - радиус колеса по кругу катания, г = 0,475 м;

кдб - среднее значение коэффициента динамики боковой качки, которое приближенно равно

кдб = 0,25 • к д

где к дв - среднее значение коэффициента вертикальной динамики, приближенное значение которого вычисляется по формуле (2.4)

- В • V

кдв = 0,75 • кдв = 0,75 • Лв (А + —), (2.4)

^ ст

где Лв - величина, зависящая от соосности тележки. Для грузового четырехосного вагона Лв = 1;

А, В - величины, зависящие от гибкости рессорного подвешивания и типа

вагона: А= 0,03; В = 6 ■ 10-4; V - скорость движения вагона;

[£ук] - нормированный коэффициент устойчивости колеса, [£ук] = 1,4. Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что нормированный коэффициент устойчивости колеса [£ук], который не должен быть меньше 1,4 во всех сходах показал абсолютно разные значения. При исследовании данных сходов был рассчитан коэффициент устойчивости колесной пары против схода с рельса. Устойчивость колесной пары против схода с рельсов обусловлена соотношением действующих вдоль ее оси горизонтальных и вертикальных нагрузок [65]. Наибольшие горизонтальные усилия возникают при движении в кривой. При сочетании сил взаимодействия колеса с рельсом может происходить вползание гребня набегающей колесной пары тележки на головку рельса с последующим сходом с рельсов. Критическое значение коэффициента запаса устойчивости колёсной пары против схода с рельсов соответствует грузовым вагонам и равно 1,4. В таблице 2.2 представлены расчеты действующих сил и коэффициентов на исследованных участках сходов [66,67].

Таблица 2.2 - Расчеты сил и коэффициентов на исследованных участках сходов

№ Место схода V, км/ч (м/с) д, м а, м/с2 Нцб, кН ^тяж, кН Нб, т £дг кдв Рв1 Рв2 Кук

1 Кешево-Таргиз 55 (15,3) 1940 0,119 10,9 10,58 0,29 0,18 0,157 159,91 120,47 3,69

2 Нижне-удинск-Тайшет 78 (21,7) 1062 0,44 41,5 42,15 0,67 0,249 0,93 59,487 90,49 1,5

3 Касьяновка-Половина 62 (17,2) 630 0,46 44,2 43,29 0,87 0,201 0,725 72,757 112,45 1,69

4 Талдан-Гудачи 49 (13,6) 635 0,29 27,4 23,95 3,44 0,162 0,013 84,207 130,3 1,87

5 Атамановка-Кручина 53 (14,7) 320 0,67 62,9 51,94 10,9 0,174 0,014 81,496 126,21 1,82

6 Танхой-Кедровая 77 (21,4) 1070 0,43 37,7 23,31 14,39 0,246 0,023 56,638 85,4 1,52

7 Камарчага-Таежный 46 (12,8) 324 0,50 44,5 50,01 5,49 0,153 0,012 84,059 129,91 1,91

8 Залари-Тыреть 44 (12,2) 430 0,34 32,6 33,16 0,6 0,147 0,011 88,496 137,4 1,93

9 Камарчага Балай 50 (13,9) 324 0,60 56,1 58,89 2,86 0,165 0,013 83,2 129,02 1,86

10 Делюр-Тыреть 65 (18,1) 870 0,37 35,2 36,65 1,42 0,21 0,45 70,29 108,11 1,81

11 Черная-Средне-илимская 58 (16,1) 270 0,95 90,3 92,12 1,82 0,189 0,016 76,483 118,01 1,76

12 Слюдянка-Ангасолка 51 (14,2) 320 0,62 59,3 58,9 0,4 0,168 0,014 80,735 124,74 1,85

Свисание гребня, база тележки и радиус кривой - это факторы, влияющие на расчёт уклона пути. Следовательно, боковой износ зависит от угла набегания, который, в свою очередь, зависит от свисания гребня колеса, радиуса кривой и износа поверхности катания колеса. Вследствие этого возникает боковой удар, его сила зависит от длины переходной кривой: чем короче кривая, тем сильнее удар [68]. Очевидно, что большое число факторов влияет на возникновение сил, а также неисправности пути и крен кузова. Изменение непогашенных центробежных сил, действующих в кривых на вагон, обусловлено недостаточным возвышением наружного рельса И. Железнодорожный путь оказывается наклонённым относительно горизонта на угол

а = а^т (2.5)

где 2Б - ширина колеи, м.

Благодаря этому, часть центробежной силы оказывается скомпенсированной силой тяжести, поскольку в плоскости пола вагона теперь действуют проекции сил, направленные в противоположные стороны. Очевидно, что результатом векторного сложения этих сил будет некоторая непогашенная боковая сила

^н = - ^т1.

Из условия обеспечения безопасности движения непогашенная боковая сила должна быть равна нулю, т.е. вышеуказанная составляющая центробежной силы должна быть полностью скомпенсирована составляющей силы тяжести. Максимальное возвышение наружного рельса ограничено из соображений предотвращения опрокидывания внутрь кривой вагона.

При исследовании сходов выявлена проблема несоблюдения условий обеспечения безопасности движения, связанная со многими факторами, одним из них является возвышение наружного рельса над внутренним, не соответствующее нормам. К примеру, сход Камарчага-Таёжный: возвышение должно быть 90 мм, но во внимание не приняты факторы, влияющие на изменение величин и приводящие к изменению динамики подвижного состава:

- ширина колеи на данном участке не соответствует норме, по всему участку идёт уширение, составляющее от 6 до 20 мм. Так как возвышение зависит напрямую от ширины колеи, то такое состояние не даёт вагону оптимального расположения на данном участке для сохранения равновесие между центростремительной силой и силой тяжести. При векторном сложении этих сил будет некоторая непогашенная боковая сила. Из условий обеспечения безопасности непогашенная сила должна быть равна нулю, т.е. составляющая центробежной силы должна быть полностью скомпенсирована составляющей силой тяжести, данное условие не может выполниться, так как нарушаются условия для нормального движения на данном участке, например, возвышение составило 78 мм вместо 90. Разница в 12 мм приводит к серьёзным последствиям, особенно при уширении колеи. При этом возникло непогашенное ускорение равное 0,5 м/с2,

превышающее норму 0,3м/с2, из-за недостатка возвышения наружного рельса над внутренним;

- для уменьшения влияния центробежной силы возвышение наружного рельса может быть до 0,15 м. Чтобы рассчитать величину возвышения, нужно знать скорость, радиус, уширение колеи. От возвышения наружного рельса зависит угол наклона кузова вагона. При нарушении возвышения рельса угол наклона кузова не соответствует норме, что приводит к опрокидыванию вагона. При расчёте схода на участке Камарчага-Таёжный, угол наклона был равен 300, значительно превышающий норму (рис. 2.4) [69];

100 90 80

* 70 н

Lid

К 60 н

и

* 50 ■я

н 40

я;

30

и

20 10 0

92,12

/

58,89 58,9

43 29 50,01 51,94

33,16 ♦ 36,65 42,15

23,31 23,95

10,58 ♦

9,02 29,21 20,77 24,66 26,29 30,05 31,75 33,36 41,54 37,88 39,62 51,78

Угол наклона кузова

Рисунок 2.4 - Наклон кузова вагона на участках схода

- выявлено последовательное отклонение по уровню обеих рельсовых нитей в разные стороны на расстоянии менее 25 м между точками крайних отклонений по уровню (перекос) III степени. К III степени относятся отступления, которые значительно ухудшают плавность движения подвижного состава, повышают интенсивность накопления остаточных деформаций пути и вызывают изменение условий движения, в том числе и снижение установленной скорости;

- при расчёте возвышения наружного рельса над внутренним учитывается радиус кривой. В связи с выбросом пути на данном участке, радиус не

соответствует заданному значению, что существенно влияет на динамику вагона и приводит к аварийной ситуации;