Система за измерване статичното натоварване на локомотивните колела

Доц. Емил ДИМИТРОВ

Доц. Ненчо НЕНОВ

Проф. Тома РУЖЕКОВ

ВТУ “Тодор Каблешков

 

Различията в статичното натоварване на ходовите колела на локомотивите предизвикват съществени промени в процеса, протичащ в контактните точки на колелата и релсите – стойност на тангенциалните сили, плъзгане, мощност на тангенциалните сили, зони на контакт. В резултат на това, износването на повърхността на търкаляне на някои колела протича с повишена интензивност. Негативното развитие на процеса се засилва във времето в резултат и на измененията на условията за взаимодействие на контактуващите тела, дължащо се на неравномерното износване на повърхността на търкаляне на някои от колелата. Като последица се явява и повишена реакция на системата на смущения от страна на пътя и намаляване на ограничението на теглителната сила по сцепление.

 

На основата на извършени изследвания е установено, че различията на статичното натоварване на колелата на локомотива водят и до други неблагоприятни явления:

-   несиметричност на преместването на колооста в аксиална посока и възможност за продължителен контакт на реборда на някои колела с релсите;

-   намаляване на направляващата способност на колооста и увеличаване износването на ребордите при движение в крив участък от пътя;

-   намаляване надеждността на отделни елементи от ходовата част и предавателните механизми.

 

Теоретични основи

 

За удобство при сравняването на данните за разпределението на статичното натоварване на колелата за различни локомотиви, както и съответствието им с нормативните стойности, е подходящо да се използва относителната стойност на разликата в натоварването на колелата α, представляваща отношението на разликата в натоварването на колелата на една колоос ∆Rν и средното натоварване за колооста Rn : α=∆Rν / Rn (ν – номер на буксата на дадена колоос, намираща се в положителното полупространство, ограничено от вертикалната надлъжна равнина на симетрия на локомотива; същият номер се присвоява и на колооста и параметрите, които се отнасят за нея). За талиги и кошове с четири точки на окачване, стойностите на α дават необходимата информация за разпределението на натоварването между колелата и възможностите да бъде регулирана ресорната система. При повече от четири точки на окачване на талигите и кошовете, за определяне на състоянието на ресорната система са необходими и допълнителни данни, например – стойностите на отношенията на разликите в натоварването между първата и ν-тата колоос β.

 

Изследването показва, че относителните стойности на разликите в натоварването на колелата α и β са функции, които принадлежат към класа функции на няколко случайни аргумента, означавани като “почти линейни”. Както е известно [1], в такъв случай резултатите от теоретичното разглеждане на подобен въпрос могат само да бъдат характеристики във вероятностен аспект. На основата на резултати от проведен числен експеримент е установено, че вероятността разликите в натоварванията на колелата на една колоос Pα да бъде в границата на приетия допуск α0′ е по-малка от . От което следва, че в технологията за производство и ремонт на локомотивите трябва да бъде включено задължително измерване на статичното натоварване на колелата.

 

При различия в натоварването на колелата, по-големи от съответно приетите допуски0′), трябва да се извършат корекции в ресорното окачване, така че различията да се сведат до стойности, близки до тези, определени от разположението на масовия център на локомотива – т.е. до най-малките възможни. Това състояние на ресорната система се означава като “състояние на най-добро регулиране”. При система, изградена от ресорни елементи с характеристики, попадащи в допусковите им полета, корекциите се свеждат до изменения в размерните вериги, в които са включени ресорите.

 

Решаването на въпросите, свързани с разпределението на натоварването на колелата, се извършва при допускането, че ресорната система е консервативна. Резултатите могат да бъдат приложени и при наличието на листови ресори, фрикционни демпфери и гумени елементи. Проведеният числен експеримент показва, че това може да бъде извършено при положение, че се осигури състояние на ресорната система, при която всички ресори работят по клон “натоварване” или по клон “разтоварване” на силовата си характеристика. При несъобразяване с посоченото, системата не може да бъде регулирана (фиктивно регулирана система) [2]. Въпросните корекции се извършват в статично положение на локомотива, разположен на прав, строго хоризонтиран участък, с еднаква коравина във всички точки с монтирани на него възприематели на сила. Определянето на корекциите, които трябва да бъдат осъществени в системата на ресорното окачване, извършвано на основата на измерените натоварвания на колелата, може да се осъществи посредством сравняване на силите, действащи на ресорите в конкретната ситуация, и тези, които биха действали при състояние на най-добро регулиране на ресорната система.

 

Както е известно, при неподвижен локомотив потенциалната енергия на механичната му система е минимална. Отбелязаното, заедно със стойностите на параметрите на екипажната му част (маси, координати на масовите центрове, геометрични данни за ходовата му част, силови характеристики на ресорите и отклонения в размерните им вериги, неравности на релсовия път и др.), дават възможност да се дефинира информационен модел. На негова основа, след описването му с математичен език, се формира математичен модел. Посредством изследване на последния пък може да бъде получена информация за механичното състояние на разглеждания обект, в това число – и за разпределението на силата на тежестта на локомотива между отделните му колела.

 

Резултати от числен експеримент с математичния модел

 

Измерването на статичното натоварване на колелата на локомотива се извършва с помощта на система, снабдена с възприематели на сила за измерване на натоварването на колелата. В зависимост от броя и разположението на възприемателите, могат да бъдат реализирани следните три варианта на стендове:

 

-   Възприемателите на сила съответстват по брой и разположение на колелата на определена серия локомотиви. Измерването на натоварването на всички колела се извършва след позициониране на локомотива върху стенда по отношение на възприемателите на сила.

 

-   Стендът има една двойка възприематели на сила за измерване натоварването на една колоос. В този случай през възприемателите последователно преминават всички колооси на локомотива за измерване на статичното им натоварване.

 

-   Стендът има няколко двойки възприематели на сила, които обаче са по-малко от броя на колоосите. Обикновено те съответстват на броя на колоосите на талигата. В този случай също се налага предвижването на локомотива с оглед измерването на натоварването на всички колела.

 

Практически интерес от анализа на метрологическите възможности на отбелязаните варианти представляват първите два. Третият, в зависимост от конкретните условия, ще има междинно положение по отношение на първи и втори вариант.

 

За да се получат определени данни, е извършен числен експеримент с разработения математичен модел за два характерни варианта на екипажна част – локомотиви с осови формули В-В и С-С. Необходимите стойности на параметри за работа на модела са взети тези на локомотивите серии 44 и 07 от парка на БДЖ. Това е извършено с оглед получената конкретна информация да има значение, в качествен аспект, практически за всички характерни реализации на екипажната част на локомотивите.

 

Численият експеримент е извършен при следните условия:

-   коефициентите на еластичност на ресорите и размерните им вериги са с номинални стойности;

-   масовият център на локомотивите се намира на пресечната права на симетричните вертикални равнини на локомотива – надлъжна и напречна;

-   неравностите на железния път η(x) се определят от израза

,

където:

* 2η0 - максимална стойност на денивелация на точки от пътя в рамките на стенда (прието е в изследването η0 [0,3 mm, 1,3 mm]);

* η01, η02 - относителни стойности на денивелация на първия и втория хармоник01 = 0,6, η02 = 0,4);

* l1, l2 - дължини на вълните на първия и втория хармоник (в изследването е прието l1 = 4 m и l2 = 3 m).

 

Резултатите от числения експеримент за стойностите на относителните разлики в натоварването на колелата на определена колоос i - αi, са дадени в таблица 1 – локомотив серия 44 и таблица 2 – локомотив серия 07.

 

Анализът на получените резултати показва, че:

 

-   при амплитуда на неравностите на пътя η0 = 0,3 mm грешките при измерването, причинени от денивелация на точки от пътя, са до 0,4% за локомотив серия 44 и до 0,5% за серия 07;

 

-   амплитуди на неравности η0=1,0 mm водят до грешки при установяване на стойностите на коефициентите αi до 1,5% за локомотив серия 44 и до 1,6% за локомотив серия 07, а при увеличаване на амплитудите на неравностите до 1,3 mm тези грешки добиват стойности съответно – 1,9% и 2,1%.

 

Амплитуди на неравностите на пътя до 0,3 mm са реално постижими за стендове, при които се измерва, от съответните възприематели на сила, натоварването едновременно на всички колела. При стендове с една двойка възприематели на сила, нивелирането на точки в рамките на стенда трябва да бъде ограничено до 2 mm (съгласно приетите изисквания от ±1 mm). Необходимо е да се подчертае, че тази денивелация се отнася за пътя в ненатоварено състояние. При действие на сили от страна на колелата в точки от пътя, които са с различна еластичност, поради неговата конструкция, оценката за денивелацията нараства примерно на 2,6 mm.

 

При локомотиви със съществени по стойност съпротивителни сили в ресорното окачване (примерно локомотиви серии 10, 43, 46, 61), тяхното негативно влияние върху измерените натоварвания на колелата може да бъде отстранено реално на стенд за едновременно измерване натоварването на всички колела.

 

Изводи

 

   Стендовете за едновременно измерване статичното натоварване на всички колела на локомотивите създават необходимите предпоставки за получаване на информация за прецизно регулиране на ресорната система и постигане на минимални разлики в статичното натоварване на колелата. При тях е възможно също и отстраняването на влиянието на силите на триене в ресорната система върху разпределението на статичния товар между отделните колела.

 

   Стендовете за измерване само на статичното натоварване на колелата на една колоос са със значително по-ниски качества в метрологично отношение в сравнение с тези, които измерват едновременно натоварването на всички колела. Допусканата грешка може да консумира значителна част от допусковото поле на коефициентите αi. Това дава основание да се счита, че е целесъобразно тези стендове да се използват за локомотиви с ниски конструктивни скорости и специфична работа (маневрени локомотиви, промишлени локомотиви и др.). Стендове с два възприемателя на сила могат да бъдат ефективно използвани за оценка на статичното натоварване на колелата на железопътни возила в движение със скорост до около 2 м/сек, което да се използва за честа диагностика на състоянието на ресорната система на локомотивите и натоварването на вагоните.

 

   Стендове с възприематели на сила, съответстващи по брой и разположение на колоосите на талигата, могат с определена ефективност да се използват при измерване на статичното натоварване на колелата на моторни вагони.

 

.:: Начало ::.

Литература

1. Вентцелъ, Е. С., Л. А. Овчаров, Прикладные задачи терии вероятностей, М., Радио и связъ, 1983.

2. Ружеков Т., Е. Димитров, Н. Ненов, М. Мутафчиев, Влияние на силите на триене в ресорната система на локомотивите върху статичното натоварване на ходовите им колела, сп. “Железопътен транспорт”, 1994, кн.6, с.9-11.

3. Nenov, N., T. Ruzhekov, E. Dimitrov, G. Mihov. Sensor of Strength for Measuring Wheel Load of Railway Carriages. 25th International Spring Seminar on Electronics Technology, pp. 105-108, Prague, Czech Republic, May 11-14, 2002.