Постановка задачи. Уменьшение износа колес и рельсов

Уменьшение износа колес и рельсов

В последние 10 лет достигнуты значительные успехи в уменьшении износа колес и рельсов в кривых за счет применения тележек с радиальной установкой колесных пар (далее- радиальных тележек). Однако износ колес и рельсов в прямых практически не изменился.

Как полагают специалисты железных дорог Индии, уменьшение износа при радиальных тележках объясняется в основном применением колес с увеличенной конусностью поверхности катания, а не эффектом радиальной установки колесных пар. Альтернативным решением было бы уменьшение кинетической энергии, передаваемой колесным парам от кузова, путем создания более упругих связей между ними с усиленным демпфированием колебаний.

На железных дорогах Индии создано экспериментальное рессорное подвешивание с требуемыми характеристиками, использование которого существенно уменьшает износ, но проблема полной изоляции колесных пар от воздействия колебаний виляния кузова остается нерешенной.

На железных дорогах Европы попытки уменьшения износа за счет применения радиальных тележек были не вполне успешными: испытания показали, что в таких тележках темп снятия металла с поверхности катания колес по результатам 60 тыс. км пробега снизился весьма незначительно: до 7,8 мм по сравнению с 7,92 мм в стандартных тележках МСЖД и 7,98 мм в тележках типа DB-65 железных дорог Германии.

Подобным же образом, как сообщалось в отчете Ассоциации американских железных дорог по экспериментальной программе TDOP, не дало ожидаемых результатов применение жестких эластомерных прокладок. В то же время железным дорогам ЮАР удалось значительно уменьшить износ колес и рельсов путем обработки рельсов способом наклепа, увеличения конусности поверхности катания колес и оснащения вагонов тележками типа Scheffel. Но конструкция этих тележек разрабатывалась преимущественно для улучшения вписывания в кривые, а ходовым характеристикам при движении по прямой было уделено меньше внимания, хотя линии, на которых эксплуатируется подвижной состав, имеют в основном прямолинейную трассу. На железных дорогах Австралии ограниченный успех в данном направлении был достигнут благодаря особо тщательному содержанию пути в плане, но это имело место лишь на отдельных линиях ограниченной длины, и распространить этот опыт на всю сеть представляется затруднительным.

Отсутствие заметного прогресса в решении проблемы износа колес и рельсов можно объяснить тем, что исследованиям данного вопроса, выполненным в свое время Шеффелем (Scheffel) и Виккенсом (Wickens), не выдвинуто какой-либо альтернативы. После того как было установлено, что эффект от увеличения конусности поверхности катания колес прекращается по достижении некоей критической скорости, Шеффель математически обосновал, что величину этой критической скорости можно увеличить, если две колесные пары в тележке соединить по диагонали посредством упругих связей в противоположность их жесткой установке в обычных тележках типа Bissel.

Была спроектирована тележка, в которой колесные пары в кривых устанавливаются по радиусу. В прямых упругое диагональное соединение колесных пар обеспечивает тележке устойчивость при скорости большей, чем в случае трехэлементной тележки.

В то время (25 лет назад) еще не вошло в практику массовое движение тяжеловесных грузовых поездов с относительно высокой скоростью, особенно на линиях со смешанным движением, из-за ограничений по тормозам и других. Поэтому к разработке тележек с радиальной установкой колесных пар в кривых для уменьшения износа колес и рельсов приступили только в конце 1970-х годов.

Однако главным фактором, определяющим достижение уменьшения износа, в частности, гребней колес, в таких тележках на железных дорогах ЮАР и некоторых других стран оставалась бóльшая конусность изношенного профиля поверхности катания, которая вынуждала колесо благодаря его увеличенному диаметру разворачиваться в сторону от рельса еще до момента вхождения в ударный контакт с ним.

Это положительное свойство можно было бы распространить повсеместно принятием изношенного профиля для всех колес тележек любой конструкции. Уменьшение доли колес с гребнем утоненным или имеющим остроконечный накат и, соответственно, увеличение доли колес с прокатом в результате введения изношенного профиля колес, зарегистрированное на Мугал-Сарайской линии железных дорог Индии, проиллюстрировано на рисунке.

Результаты введения изношенного профиля колес

Увеличение доли колес с прокатом относится на счет возрастания центрирующих сил у колес с увеличенной конусностью. Смещение колеса, требующееся для его установки по радиусу, оценивается в 2- 3 мм. При движении с низкой скоростью даже в обычных тележках колеса могут занимать радиальное положение благодаря продольному зазору в буксовом узле. В то же время эксперименты на прямом пути в Канаде показали, что внедрение радиальных тележек приводило к увеличению износа рельсов и расхода топлива на тягу поездов.

Так что основным достоинством радиальных тележек является повышение критической скорости, а не уменьшение износа.

Износ колес с образованием остроконечного наката гребней у тележек с двухступенчатым рессорным подвешиванием традиционно приписывается повторяющимся ударным нагрузкам на гребень, обусловленным вилянием тележки в прямых участках пути. Поэтому разработчики тележек сосредоточились на повышении критической скорости для устранения виляния. Однако, помимо определения критической скорости математическими расчетами и некоторых лабораторных экспериментов, не было сколько-нибудь представительных ходовых испытаний в эксплуатационных условиях, направленных на выяснение истинных причин виляния таких тележек. Не проводились также испытания, подтверждающие, что причиной быстрого износа колес в тележках с двухступенчатым рессорным подвешиванием является именно виляние.