THE PROBLEM OF INCREASING THE SPEED OF FREIGHT TRAINS

УДК

656.2.022.846

В. О. МЕЛЬНИЧУК (Укрзалізниця), О. М. ПШІНЬКО, О. М. САВЧУК (ДІІТ)

ПРОБЛЕМА

ПІДВИЩЕННЯ

ШВИДКОСТІ

ВАНТАЖНИХ

ПОЇЗДІВ

У статті розглянуто проблему підвищення швидкості руху вантажних поїздів.

В статье рассмотрена проблема повышения скорости движения грузовых поездов.

In the paper a problem of increasing the traffic speed of fright trains is considered.

Вантажний вагонний парк Укрзалізниці,

маючи значну ступінь зносу, продовжує вико

-нувати досить напружений вантажообіг − за минулий рік 262,8 млрд ткм, що склало майже

90 % відзагальногопоказникапоМінтрансу.

Інтенсивність вантажообігу (що приходить

-сянаодинкілометрмагістральноїколії) склала

12 млн ткм/км, що значно перевищує відповід

-ний показник розвинених країн (у США – 5,1;

ФРН – 2,2, Франції – 1,5).

Це забезпечується, у першу чергу, за раху

-нок високої маси поїзда (5 тис. т – завантаже

-ного по УЗ проти 850 т – на залізницях Євро

-пи), яка обмежена міцністю ударно-тягових приладівтанесучихконструкційвагонів.

Разомзтим, експлуатаційнашвидкістьпоїз

-дівне відповідаєєвропейському рівню. Факти

-чна швидкість завантаженого поїзда обмежу

-ється до 85 км/год., а з порожніми вагонами – 70 км/год. Це майже у півтора рази нижче від конструктивної, закладеної у технічних харак

-теристиках вагонів – 120 км/год. В результаті не використовується на 10…15 % продуктив

-ністьвагона. Зпричиниобмеженихшвидкостей ми змушені утримувати надлишковий парк ва

-гонівта локомотивів, щоб виконуватинеобхід

-нийоб’ємперевезень.

Спробизбільшитишвидкістьвантажнихпо

-їздів, сформованих із старотипних вагонів, ро

-бились неодноразово [1]. Однак, без усунення обмежуючихпричинусі такіспробизакінчува

-лись поверненням до традиційних швидкостей післякількохаварійнихсходівзрейок.

Сьогодні проблема підвищення швидкості стаєщеактуальнішою у зв’язкузнормативами міжнародних організацій залізничників та на

-ступному входженню частини наших магістра

-лей у міжнародні транспортні коридори. Коде

-ксом європейських союзів залізничників ОСЗ/МСЗ ХХХ/V (ст. 22.3) та пам’ятками ОСЗ № 516 і МСЗ № 430/4 (ст. 1.5) приписано, що максимальна швидкість вагонів в експлуатації,

незалежно від зносів ходових частин, повинна складати 120 км/год. (відповідна стаття позна

-чена зірочкою, тобто є обов’язковою до вико

-нання).

Причиною обмеження швидкості вантаж

-них поїздів є втрата стійкості руху вагона на візках моделі 18-100 (конструкції інж. Ханіна),

яка може відбутись при швидкості, меншійвід конструктивної.

Математична теорія стійкості руху

О. М. Ляпунова [2] здобула розвиток стосовно до залізничного рухомого складу у працях

В. А. Лазаряна і його наукової школи –

М. Л. Коротенка, Ю. В. Дьомінатаінших [3, 4].

Вони встановили, що рух вагона (чи іншого залізничного екіпажу) втрачає стійкість за Ля

-пуновим, якщо його швидкість перевищила деяку величину, яку називають критичною швидкістюрухувагона.

Починаючи з 90-х років минулого століття,

галузевими лабораторіями ДІІТу проводяться дослідження критичної швидкості вантажних вагонів у залежностівід зносів ходовихчастин таіншихфакторів. Одержанінацейчасрезуль

-татиприведенінарис. 1. Першітристовпцідіа

-грами характеризують критичну швидкість vкр

нового вагона (або з переточеними колісними парами) приексплуатаційномупробігувіднуля до приблизно 30 тис. км. У вказаний період критична швидкість перевищує 120 км/год. не

-залежновідіншихфакторів. Самецяобставина дозволила встановити нормативну конструк -тивну швидкість. Показані на діаграмі інші значення vкр відповідають стану після пробігу

вагонів на візках моделі 18-100 більше 30 тис. км. Потрійними стовпцями позначена критична швидкість у залежності від трьох ос

-новнихфакторів:

● зліва – при русі порожнього вагона по прямолінійній колії – вона становитьприбли

-зно 70 км/год;

● середні стовпці – для завантаженого ва -гона у прямолінійній колії – критична швид

-кістьдещоперевищує 80 км/год.;

Рис. 1. Критична швидкість вагона на візках мод.18-100 Ознакамивтратистійкостірухує:

1) Збудження автоколивань виляння коліс

-нихпар у горизонтальнійплощині. Колісніпа

-ри безперервно коливаються у колійному зазо

-рі, натикаючись то на ліву, то на праву рейку гребенями коліс. При цьому динамічні рамні

зусилля − основний чинник вповзання колеса нарейку−значнозбільшуються. Нарис 2 при

-веденіграфікизмінирамнихсилНрзалежновід швидкостірухупорожньоговагона попрямолі

-нійнихділянкахколії.

Рис. 2. Графіки залежності рамних сил від швидкості Шкала швидкості відкладена на середнійосі, а

графіки побудовані за значеннями рамних зу

-сильвсторонулівоїтаправоїрейок (відповідно верхнятанижня криві). Внутрішнікриві – ра

-мнісиливагоназнезношенимипрофілямико

-ліс ГОСТ-9036. При зростанні швидкості сили монотонно збільшуються. Рух вагона при цьо

-му стійкий. Середні лінії (пунктирні з жир

-нимикрапками) – зареєстрованізусилляваго

-на з незношеними профілями коліс ДІІТ-УЗ.

В діапазоні швидкостей 70…90 км/год. рамні зусилля зростають більш інтенсивно (на 25…50 %), алевтратистійкостінезафіксовано.

Зовнішнілінії – колісніпаризношені. Тутзбі

-ливтричібільші (порівнянозпоказникамивну

-трішніх ліній), далі вони дещо стабілізуються.

Спостерігаютьсяознакивтратистійкості руху вагона, починаючизішвидкості 70 км/год.

2) Характерно, що після втрати стійкості поперечні переміщення колісних пар візка від

-буваютьсяпротифазнооднавідносноіншої. Це приводить до збурення автоколивань вилян -ня рамвізківу горизонтальнійплощині. Тому у технічній літературі втрату стійкості часто визначають як «интенсивное извилистое дви

-жение тележек». Оскільки критична швидкість вагонів поїзда може бути різною (див. рис. 1),

то можливо спостерігати у минаючого поїзда нестійкий хід окремих вагонів. Їх візкиіноді називають «шальные тележки» (термін зустрі

-чається, зокрема, у монографіїодного з науко

-вих працівників ВНИИЖТа [5]). У зв’язку з цим доцільно зазначити, що під вказаний тер

-мін підходять усі візки моделі 18-100 після експлуатаційногопробігу більше 30 тис. км.

У літературі європейських дослідників втрата стійкості називається «шиммі» (shimmy − віб

-рація, коливання (коліс), один знегритянських танців). Зокрема, у лекціях спеціалістів фран

-цузького дослідницького центру рухомого складу підкреслюється, щосаме «шиммі» було найскладнішою проблемою при створенні су

-перекспресів TGV.

3) Кузоввагонапіслявтратистійкостіруху теж починає коливатись у горизонтальній площині, оскільки виляння обох візків збурю

-ються переважно у протифазі. Автоколивання виляння кузова відбуваються з амплітудою близько 70 мм (наширинуголовкирейки) іча

-стотою ~ 1,5 Гц. Спостерігаючи за коливання

-микузовівминаючоговантажногопоїзда, мож

-навізуальновиявитивагони, щовтратилистій

-кістьруху.

Способи підвищення критичної швидко -стівагона.

Аналізконструкцій високошвидкіснихваго

-нів, зокремапоїздів-експресів, щозабезпечують стійкістьруху (принормованихзносахходових частин) до 250…350 км/год., показав, що для підвищення критичної швидкості можна вико

-ристати демпфери поздовжніх горизонталь -них коливань, встановленіміж рамоювізката кузовом вагона. Зокрема, рами візків високо

-швидкісногопоїзда TGV (Франція) зобох сто

-рінз’єднанізкузовамиспеціальними гідравлі -чними демпферами. Вони потужніші від гід

-равлічних гасників вертикальних і поперечних коливань, а у верхній частині мають лійку для регулярногоконтролю рівнятапоповнення ро

-бочоїрідини, витікякої можепривести дотяж

-кихнаслідків.

Поширені також демпфери фрикційного типу. Кожний такий демпфер утворюється па

-рою притиснутиходин доіншого ковзунів: на

-дресорної балки візка і відповідних їм − на шкворневій балці кузова. Дляефективності ро

-ботитакогодемпфераслідвиконуватидвіумо

-ви:

● поверхні тертя повинні працювати стабі

-льно без мікросхоплень, для чого використо

-вують пари «чавун − сталь», «вуглепластик −

сталь» таін.;

● автоколивання виляння рами візка, що збурюються після досягнення вагоном критич

-ної швидкості, повинні передаватись на надре

-сорну балку, інакше демпферине будутьефек

-тивнопідвищуватикритичнушвидкістьвагона.

У пасажирськихвагонів (зпрактично стабі

-льною масою) притискання ковзунів демпфера забезпечується тим, що кузов повністю опира

-єтьсяна ковзунинадресорнихбалок візків. Пе

-редаючі пристрої відомі двох типів − трьох

-важільні (на візках MD-530 IC-експресу ФРН, «ГОША») та повідкові (на візках КВЗ-ЦНИИ,

мод. 68-4075 таін.).

Щодо вантажнихвагонів, тозбільшенняїх критичноїшвидкостідосягаєтьсяшляхомвико

-ристання:

● Фрикційних демпферів, функцію яких виконують пружні ковзуни надресорної балки візка, постійно притиснуті до відповідних ков

-зунів шкворневої балки кузова. Як тільки збу

-рюютьсяавтоколивання виляннявізка, відбува

-ється їх гасіння за рахунок роботи сил тертя між ковзунами. Вексплуатаційному вагонному паркуУЗужеп’ятьроківведетьсямодернізація візків за технологією, запропонованою фірмою

«А.СТАКІ» (США). При цьому типові жорсткі ковзуни замінюютьсяпружно-катковимибезза

-зорнимиковзунами, які створюютьдемпфери з парними ковзунами шкворневих балок кузова.

Взаємнийстискковзунів-демпферів регулюєть

-ся пружною поліуретановою вставкою. Надли

-шковізусилляприперевалцікузоваприймаєна себе ролик і полегшує вписування вагона у криві.

● Малозносних клинів гасника коли -вань з уретановими накладками на похилих поверхнях. Важливафункціяклина — недопу

-скати виникнення між боковинами і надресор

-ною балкою некомпенсованих зазорів, щоб ав

-токоливання виляння зпочатку їхзбурення пе

-редавалисьнанадресорнубалкуігасилиськов

Аналогічнимидеталямиобладнані візкимо

-делі 18-7020 розробки ВАТ «КВБЗ» Окрім пружно-катковихковзунівта малозноснихкли

-нів з уретановими накладками, у цих візках встановлені ресорні комплекти з білінійною жорсткістю. Статичний прогин вагону у поро

-жньому режимі збільшено вдвічі (порівняно з візками мод. 18-100). Це покращує плавність ходуімаєдатиперевагиприексплуатаціїзпід

-вищенимишвидкостями.

Таким чином, у вагонному парку УЗ уже експлуатуютьсявагони, якіможна використати дляформуванняшвидкіснихвантажнихпоїздів.

Однак, стримуючим фактором виявився нега

-тивний досвід минулих спроб підвищення екс

-плуатаційної швидкості вантажних поїздів на залізницях зі стандартом колії 1520 мм. Тому було вирішено виконати ряд попередніхдослі

-джень з обґрунтуванням безпечності кожного практичногокроку, пов’язаного зізбільшенням експлуатаційноїшвидкості.

Полігоном для започаткування швидкіс -ного руху вибраний напрямок Кривий Ріг −

Ужгород − Кошице, на якому уже близько 40

років проводяться експлуатаційні випробуван

-ня нових конструкцій вагонів і їх частин. Тут обертаються постійні залізорудні маршрути,

проходячискладнийзапланоміпрофілемколії Карпатський перевал. Довжинаодного рейсу −

2700 км. Коефіцієнт порожнього пробігу − 0,5.

Заекспертними оцінками, завантаженістьваго

-нів маршрутів в 1,2…1,5 рази перевищує сере

-днюзагальномережевунаколії 1520 мм.

У 2006 р. проведені підготовчі досліджен -нязметоювизначеннянайбільшихдопустимих швидкостей руху маршруту по трасі за умови,

що всі вагони будуть мати критичну швид -кість не менше 120 км/год. (як у завантаже -ному, таківпорожньомустанах). Діагности

-чний рейсвиконувався зіснуючим маршрутом і з традиційними швидкостями руху. У марш

-рут була включена вагон-лабораторія для без

-перервної реєстрації в обох напрямках з прив’язкою до кілометражу траси таких вели

-чин:

−

фактичноїшвидкостіруху;

−

вертикальних динамічних прискорень непід

-ресорених частин візка (боковин) та шквор

-невих балок кузовів у чотирьох піввагонах маршруту;

−

горизонтальних динамічних прискорень вка

-заних вище непідресорених та підресорених частинпіввагонів.

Зареєстровані дані оброблялись за допомогою спеціально розроблених алгоритмів і програм.

На виході будувались криві зареєстрованих і розрахованих параметрів, суть яких пояснимо наприкладіфрагменту, показаногонарис. 3.

1 Позначений кілометраж маршруту та роз

-міщеннястанцій

–

для прикладупоказанаділя

-нказ 45 кмпо 24 кмврайоністанціїБілаЦерк

-ва. На розміщених нижче графіках цій ділянці відповідають осі абсцис. Маршрут рухався за

-вантаженимунапрямкуУжгорода.

2 Графікфактичної швидкості

v

~

підчасдіаг

-ностичноїпоїздки.

3 Графіки вертикальних динамічних приско

-рень: Z_v~, зареєстрованих при проходженні ді

-лянки (нижнялінія) і Z₁₂₀, розрахованихінтер

-поляційним методом (верхня лінія). Визначен

-ня вертикального прискорення Z₁₂₀ (очікува

-ного при швидкості v = 120 км/год. за умови дотримання стійкості руху за Ляпуновим) про

-водилосьзазалежністю:

120

Z =Z_v~ +

Z

ˆ

·(120 –

v

~

),

де Z_v~

–

прискорення, що заміряне при фіксо

-ванійшвидкостіруху

v

~

, меншійза 120 км/год.; Zˆ

–

коефіцієнт (оператор) інтерполяції ве

-ртикальнихприскорень, щознаходитьсяпоци

-фровійтаблиці, визначенійаналізомзалежності прискорення від швидкості руху (40…120 км/год.) піввагона з незношеними ободами коліс (вказана залежність одержана при попередніх випробуваннях); оператор має межі 0,0026…0,0036.

4 Графіки горизонтальних (поперечних) ди

-намічнихприскореньΫv (нижній) таΫ120 (вер-

хній), які одержані подібно до п. 3. Оператор інтерполяції горизонтальних прискорень Ŷ має межі 0,00100…0,00225.

5 Графік прогнозної максимальної швидкості маршруту, всі вагони якого мають критичну швидкість, не меншу 120 км/год. Принцип по

-будови цього графіку − аналізом кривої Z₁₂₀

визначались ті місця, де рівень прискорення перевищує нормований для задовільного ходу вагона [6], потім розраховувались необхідні пониження швидкості і наносились на графік

(на рис. 3 ці місця позначені світлими стрілка

-ми). ВідповіднімісцяобмеженьприаналізіΫ120

позначені на графіку затемненими стрілками.

У підсумку для швидкісного маршруту (заван

-таженого) на розглянутій ділянці траси визна

-ченамаксимальнашвидкістьруху 100 км/год.

Результатидіагностикинаносилисьнакарту залізничної колії. Ділянкаколії, що розглянута вище, показананарис. 4.

В районі ст. Біла Церква впрямому та зво

-ротному напрямках смугами жовтого кольору позначена швидкість до 100 км/год. Східніше від ст. Сухоліси показана червона смуга − до 80 км/год., а західніше ст. Устинівка − чорна смуга позначає, що швидкість рекомендується залишити без змін (колишньою). Узворотному напрямку перед ст. Фастів рекомендована ко

-лишняшвидкість, асхідніше−до 100 км/год.

Встановлене діагностикою співвідношення швидкостей руху маршруту повсьому напрям

-купоказаненарис. 5.

При розробці реального графіку руху пер

-шихшвидкісних поїздів, окрім цихрекоменда

-цій, приймались до уваги обмеження швидко

-сті:

● для завантаженихпоїздів

−

приумові по

-вного використання вантажопідйомності

вагонів

−

до 90 км/год., щобнедопустити зниженняресурсуколії;

● за конструктивною швидкістю більшості вантажних електровозів − до 100 км/год.

Рис. 5. Діаграма рекомендованих швидкостей маршруту Для переведення у режим швидкісного

рухубувсформованиймаршрут№ 2 виключно зпіввагонів нового покоління на візках моделі 18-7020. Напередодні 2007 р. маршрут розпо

-чав перевезення руди в існуючому (традицій

-ному) режимі. Першіпробні швидкісніпоїздки

(до 90 км/год. у прямому та 100 км/год. у зво

-ротному напрямках) за спеціально складеним розкладувідбулисьу кінціквітняминулогоро

-ку. На їх початок маршрут мав пробіг 27 тис. км, а після двох рейсів − 32,4 тис. км.

Для вагонів на візках мод. 18-100 при такому пробігуужебнаступилавтратастійкостізаЛя

-пуновим. Аленавізках новогопоколінняцього не спостерігалось, пробні рейси пройшли без зауваженьщодобезпекируху.

Далі маршрут був переведений у традицій

-ний режим експлуатації, оскільки технологія водінняшвидкіснихвантажнихпоїздівповинна бути підкріплена відповідними інструкціями для усіх причетних служб. Розробка таких ін

-струкційвиконана.

На сьогодні експлуатаційний пробіг марш

-руту№ 2 уже перевищив 100 тис. км. Заплано

-ване проведення контрольних динамічних ви

-пробувань кількохвагонів длявизначення кри

-тичної швидкості і коефіцієнтів стійкості від вповзанняколіс на рейки при існуючихзносах ходовихчастин. Зарезультатамибудеприйняте рішення щодо відновлення швидкісного руху маршруту№ 2. З накопиченнямдосвіду плану

-ється переведення усіх поїздів розглянутого рудногонапрямкунановутехнологію.

Згідно дорозрахунківдоцента кафедриеко

-номіки та менеджменту ДІІТуО. М. Гнєнного,

перехід на швидкіснийрух усіх руднихпоїздів від Кривого Рогу до Ужгорода дозволить при існуючому об’ємі перевезень скоротити потре

-буувагонах−на 690 одиниць, улокомотивах−

на 11 одиниць. Загальний річний розрахунко

-вийефект− 275 млнгрн.

БІБЛІОГРАФІЧНИЙСПИСОК

1. Работа железнодорожного пути при обращении грузовых поездов со скоростями 90-100 км/ч // Тр. ВНИИЖТ, вып. 614. − М. Транспорт, 1979.

− 81 с.

2. Ляпунов А. М. Собр. соч. – Т. 2. − М.-Л., 1956. −

263 с.

3. Лазарян В. А. Устойчивость движения рельсо-вых экипажей / В. А. Лазарян, Л. А. Длугач, М. Л. Коротенко. − К.: Наук. думка, 1972. − 200 с. 4. Демин Ю. В. Автоколебания и устойчивость

движения рельсовых экипажей / Ю. В. Демин, Л. А. Длугач, М. Л. Коротенко, О. М. Маркова.

− К.: Наук. думка, 1984. − 160 с.

5. Лысюк В. С. Причины и механизмы схода коле-са с рельколе-са. Проблема изноколе-са колес и рельсов. −

М.: Транспорт, 1997. − 168 с.

6. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамо-ходных). − М.: ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. −

317 с.