Можливості підвищення безпеки руху рейкових екіпажів з колесами, що незалежно обертаються

Abstract

Одним із перспективних шляхів для досягнення високої швидкості та плавності ходу рейкових екіпажів при стійкому русі в прямих ділянках колії та покращення характеристик вписування екіпажів у криві є використання в їх ходових частинах коліс, що незалежно обертаються. Такі ходові частини набувають вже достатньо широкого розповсюдження, наприклад, в екіпажах міського рейкового транспорту. Але колеса, що незалежно обертаються, можуть обертатися в колісній парі навколо спільної осі з різними кутовими швидкостями. З цього випливає, що при їх русі не виникають поздовжні сили крипа, які формують момент, що управляє, і центрують колісну пару в рейковій колії. Це може призвести до підвищення кутів набігання коліс на рейки, збільшення бічних сил та пришвидшення зношування коліс і рейок. А це підвищує схильність екіпажів з колесами, що незалежно обертаються, до сходу з рейки по вкочуванню гребеня на головку рейки. Накопичений світовий досвід експлуатації подібних транспортних засобів підтверджує це. Для подолання зазначених недоліків коліс, що незалежно обертаються, запропоновано низку різноманітних технічних рішень. Деякі з них стосуються забезпечення заданої пружно-дисипативної характеристики торсійного зчленування коліс у колісній парі. Перспективним є напрям вдосконалення характеристик зв’язків колісних пар із візком і візків із кузовом екіпажу, використання мехатронних систем контролю положення колісних пар у горизонтальній площині для їх радіальної установки у криволінійних ділянках колії. У цій роботі приділена увага питанням використання в конструкції незалежно обертових коліс перспективної конструктивної схеми, що допускає незалежне обертання опорної поверхні колеса та його напрямної поверхні (гребеня), зокрема і з позицій безпеки руху по вкочуванню гребеня на головку рейки. Досліджено вплив перспективної конструктивної схеми колеса порівняно з традиційною конструктивною схемою колеса на безпеку руху по сходу з рейки. Проаналізовано особливості розподілу сил тертя в гребеневому контакті під час руху по рейкам коліс обох конструктивних схем. Для колеса традиційної конструктивної схеми модуль та напрямок вектора сили тертя в гребеневому контакті однозначно визначаються геометричними характеристиками контактування колеса і рейки та кутовою швидкістю обертання колеса. Водночас при русі колеса перспективної конструктивної схеми напрям і модуль вектора сили тертя гребеня по рейці залежать ще й від співвідношення кутових швидкостей обертання опорної поверхні колеса і його напрямної поверхні (гребеня) навколо загальної осі. Отримані результати дають змогу зробити висновок про доцільність використання перспективної конструктивної схеми в колесах, що незалежно обертаються, для підвищення безпеки руху рейкових транспортних засобів.

One of the promising ways to achieve high speed and smooth running of rail vehicles during stable movement in straight sections of the track and to improve the characteristics of fitting the vehicles in a curve is the use of independently rotating wheels in their running parts. Such undercarriages are already becoming quite widespread, for example, in urban rail transport vehicles. But independently rotating wheels can rotate in a wheel pair around a common axis with different angular velocities. It follows that during their movement, longitudinal creep forces do not arise, which form the controlling moment and center the wheel pair in the rail track. This can lead to increased angles of attack of the wheels on the rails, increased lateral forces and accelerated wear of the wheels and rails. In turn, this increases the tendency of vehicles with independently rotating wheels to derail by rolling the flange onto the head of the rail. The accumulated global experience of operating similar vehicles confirms this. To overcome the mentioned disadvantages of independently rotating wheels, a number of various technical solutions have been proposed. Some of them relate to ensuring the given elastic-dissipative characteristic of the torsional articulation of the wheels in a wheel pair. A promising direction is the improvement of the characteristics of the connections of wheel pairs with the bogye and bogyes with the vehicle body, the use of mechatronic systems for controlling the position of the wheel pairs in the horizontal plane for their radial installation in curved sections of the track. In this work, attention is paid to the issue of the use in the design of independently rotating wheels of a perspective design scheme that allows independent rotation of the wheel's support surface and its guide surface (flange). The question of the effect of changing the design scheme of the wheel on the safety of movement due to the roll-in of the ridge on the rail head was considered. The influence of a promising design scheme of a wheel in comparison with a traditional design scheme of a wheel on the safety of driving down a rails was investigated. The peculiarities of the distribution of frictional forces in the ridge contact during movement along the rails of the wheels of both design schemes are analyzed. For a wheel of a traditional design scheme, the module and the direction of the friction force vector in the ridge contact are uniquely determined by the geometric characteristics of the contact between the wheel and the rail and the angular speed of the wheel rotation. At the same time, when the wheel of the prospective design scheme moves, the direction and module of the friction force vector of the ridge on the rail also depend on the ratio of the angular velocities of rotation of the supporting surface of the wheel and its guiding surface (flange) around the common axis. The obtained results allow us to draw a conclusion about the expediency of using a promising design scheme in independently rotating wheels to increase the safety of movement of rail vehicles.