Оценка безопасности движения по кривым участкам пути

Наиболее неблаговременным, с точки зрения безопасности, является движение локомотивов в кривой. Движение в кривой сопровождается действием на локомотив дополнительного бокового усилия, вызванного целым комплексом сил.

Главным условием безопасного движения в кривой является геометрическая проходимость экипажа в кривой, которая определяется из соотношения между длиной экипажа, радиусом кривой и шириной колеи. Чтобы избежать возможного заклинивания колесных пар между рельсами, расшивки пути и схода локомотива с рельсов, проверяют его проходимость по кривой, решая задачу геометрического вписывания экипажа в кривую малого радиуса ( ).

Однако, несмотря на свободное размещение экипажа в кривой, безопасность движения также зависит и от величины бокового давления, возникающего в точке соприкосновения гребня набегающего колеса с головкой внешнего рельса. Это боковое давление способствует вползанию колеса гребнем на головку рельса и возможному последующему сходу колесной пары с рельсового пути, вызывает сдвиг пути в плане, уширения колеи. Для избежания этих аварийных ситуаций решают задачу динамического вписывания экипажа в кривую ( ) и назначают ограничения скорости движения в кривых.

Для обеспечения условий прохождения кривых на практике используют следующие технические решения:

Ø выполняют некоторое уширение колеи (при );

Ø прямолинейных участок рельсового пути связывают с основной кривой переходными кривыми большего радиуса, чем радиус основной кривой;

Ø наружный рельс в кривой устанавливают с определенными возвышением относительно внутреннего рельса ( );

Ø тележки локомотивов выполняют с поперечным разбегом колесных пар, величина которого достигает 14-15 мм на сторону;

Ø связи тележек с рамой кузова осуществляют с помощью опорно-возвращающих устройств, способствующих возврату тележек в исходное положение при выходе локомотива из кривой;

Ø производят смазывание (лубрикацию) гребней колес и боковин головок рельсов.

В зависимости от скорости движения в кривой изменяется величина центробежной силы Ц, действующей на локомотив. Эта сила оттесняет локомотив в направлении наружного рельса и изменяет положение тележек в рельсовой колее.

В зависимости от скорости движения и величины силы Ц различают три возможных положения тележек в кривой (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Положение тележки в кривой при различных скоростях движения:

а) установка наибольшего перекоса; б) свободная установка; в) установка высоких скоростей

Положение наибольшего перекоса тележек имеет место при малых скоростях движения. В этом случае передняя набегающая колесная пара гребнем наружного колеса соприкасается с головкой внешнего рельса, а задняя колесная пара гребнем внутреннего колеса скользит по головке внутреннего рельса.

Положение свободной установки тележки наблюдается при более высоких скоростях движения (чем в первом случае) и характеризуется тем, что гребень внутреннего колеса задней колесной пары тележки не касается головки внутреннего рельса, поскольку сила Ц оттесняет тележку в сторону наружного рельса.

Положение высоких скоростей тележки (и высоких значений силы Ц) определяется контактированием гребней наружных колес передней и задней колесных пар тележки с головкой наружного рельса.

Динамическое вписывание в кривую характеризует положение тележки и уровень поперечных сил в системе при различных скоростях движения локомотива.

Рассмотрим движение в кривой локомотива, оснащенного трехосными тележками с центральным расположением шкворневого узла и опорно-возвращающимися устройствами роликового типа, при следующих допущениях [1]:

Ø скорость движения постоянная;

Ø бандажи имеют цилиндрическую форму;

Ø кривая является идеально круговой;

Ø все силы, действующие на экипаж, переносятся на плоскость пути;

Ø силы трения в точках контакта колес с рельсами имеют природу сухого трения и являются постоянными при движении по кривой;

Ø все колесные пары тележки закреплены и не могут перемещаться друг относительно друга;

Ø силы тяги и торможения отсутствуют.

На рис 4.2. Дана расчетная схема сил, действующих на тележку при движении по круговой кривой в положении наибольшего перекоса.

Рис. 4.2. Расчетная схема сил, действующих на тележку в положении наибольшего перекоса

Составим уравнение равновесия сил и моментов для двух случаев: положение тележки с наибольшим перекосом и положение тележки при движении с наибольшей скоростью.

Движение тележки локомотива по кривой можно рассматривать как ее движение вокруг некоторой точки 0. Это движение можно представить как поступательное и вращательное движение вокруг мгновенного центра вращения тележки .

Положение наибольшего перекоса тележки описывают системой из двух уравнений (4.1):

(4.1)

Положение высоких скоростей тележки описывают системой уравнений (20):

(4.2)

В зависимостях (19) и (20) приведены следующие обозначения сил и моментов:

- направляющее усилие;

T- сила трения;

H- продольная составляющая силы трения;

Q-поперечная составляющая силы трения;

С- горизонтальная составляющая веса локомотива, вызванная возвышением наружного рельса;

- возвращающий момент, создаваемый опорно- возвращающими устройствами;

- момент сил сопротивления, возникающих в узлах трения экипажа при вращении тележки относительно кузова.

Расчетные зависимости для определения сил, входящих в уравнение (4.1) и (4.2), имеют вид

, (4.3)

где G- суммарная статическая нагрузка на все колесные пары тележки

(G=n [2П], здесь n- количество осей в тележке).

, (4.4)

где h- величина возвышения наружного рельса над внутренним рельсом.

Составляющие силы трения и положение мгновенного центра поворота тележки в положении наибольшего перекоса определяются следующим образом

, (4.5)

где - коэффициент трения между колесом и рельсом (при

=0,25; при =0,2);

- расстояние от осей колесных пар до мгновенного центра вращения Ω (на рис. 4.2 показаны как ).

;

;

,

Здесь - база тележки, - суммарный зазор между гребнями колесной пары и обоими рельсами пути (при

, (4.6)

В положении высоких скоростей мгновенный центр поворота перемещаются в центр тяжести тележки и зависимости по нахождению величин , преобразуются следующим образом:

; .

; ;

; .

Моменты определяются конструкцией опорно-возвращающих устройств и, в общем случае, зависят от угла поворота тележки. В рассматриваемом примере моменты имеют постоянные значения, величины которых задаются условиями задачи.

В системах уравнений (4.1) и (4.2) два неизвестных- . Определить значения не составляет труда.

Рассмотренным образом движение локомотива происходит в идеальной круговой кривой. В действительности рельсовые нити уложены с неизбежным отступлениями от дуги круга, которые могут рассматриваться как неровности в плане. Такие неровности приводят к возникновению горизонтальных динамических нагрузок, увеличивающих значения направляющей силы, бокового давления и отжатия рельсов в кривой. Это увеличение легко учесть, используя в расчетных формулах для определения Y, Y, в качестве дополнительного множителя коэффициент горизонтальной динамичности .Этоткоэффициент может быть определен для передней по ходу движения оси, при наличии поперечной упругости в буксах и рессорном подвешивании, следующим образом

(4.7)

Тогда принимаем:

Y_1(V)=Y₁*K_гд

Задача:Рассчитать и построить функциональную зависимость направляющего Y₁ усилия от скорости движения V. При малой скорости V₁=30км/ч считаем, что тележка при своем движении по кривой находится в положении наибольшего перекоса, а при максимальной скорости движения V₂=100км/ч – в положении высоких скоростей.

Таблица 4.1 – Исходные данные

Параметры	Номера вариантов
Радиус кривой Rk, м
Статическая нагрузка от оси на рельс [2П], кН
База тележки b, м		4,1	4,2	4,3	4,4		4,1	4,2	4,3	4,4
Возвращающий момент опорно - возвращающих устройств Мв, кН м
Момент сил сопротивлений от трения в узлах экипажа Мтр, кН м
Возвышение наружного рельса h, м	0,15	0,14	0,13	0,12	0,11	0,11	0,15	0,14	0,13	0,11
Расстояние между кругами катания 2lk, м	1.6

Вопросы на защиту:

1. Движение экипажей по кривым участкам пути.

2. Движение тележки в кривой среднего радиуса.

3. Движение тележки в кривой малого радиуса.

4. Возможные положения тележек в кривой в зависимости от скорости движения и величины центробежной силы.

Практическая работа 5.

Динамика неподрессоренных масс подвижного состава.