IMPROVING THE SAFETY OF TRAINS WITH INCREASED WEIGHT AND LENGTH

УДК 629.4.077-592(075.8)

В. В. КРАВЧУК, И. И. ДОРОНИНА, Е. А. ХАРИН (Дальневосточный

государственный университет путей сообщений, Россия)

ПОВЫШЕНИЕ

БЕЗОПАСНОСТИ

ДВИЖЕНИЯ

ПОЕЗДОВ

ПОВЫШЕННОЙ

МАССЫ

И

ДЛИНЫ

Наосновіаналізупричинпошкодженняавтозчепнихпристроїврухомогоскладупоїздівпідвищеноїмаси ідовжинипоказанінайбільш ймовірніпричини порушеннябезпекирухупоїздів. Представленішляхипід

-вищеннябезпекирухутапричинидодатковогоопорурухупоїзда.

Наоснове анализапричинповрежденияавтосцепныхустройствподвижногосоставапоездовповышен

-ной массы и длины показаны наиболее вероятные причины нарушения безопасности движения поездов.

Представленыпутиповышениябезопасностидвиженияипричиныдополнительногосопротивлениядвиже

-ниюпоезда.

Based on the analysis of causes for damage of autocoupling devices in the trains of increased weight and lengths, the most probable reasons of train traffic safety disturbances have been shown. The ways of increasing the traffic safety and the causes of additional resistance to the train movement have been presented.

Российские железные дороги вводят дирек -тивную повышенную массу и длину грузовых поездов. Правление ОАО «РЖД» считает, что оптимальным соотношением следует признать длинупоезда 71 условныйвагонимассу 6 тыс. тонн. Вождение таких поездов в первую оче -редь предстоит обеспечить на направлении Кузбасс–Северо-Запад и Кузбасс–Находка, то естьугольныенаправления.

В последние годы на железных дорогах Дальневосточного региона наблюдается ста -бильноеповышениемассыидлиныпоездов, что обусловлено возрастающими перевозками в страныАзиатско-Тихоокеанскогобассейна. Рост массы и длины поездов обострил проблему обеспечениябезопасностидвиженияпоездовна горных участках железных дорог с кривыми малогорадиуса. Овозможностипоявленияэтой проблемывсвоевремяпредупреждалакадемик В. А. Лазарян.

Внедрение унифицированной массы поез -да, на направлении Мариинск–Порты Примо -рья, было начато в ноябре 2002 года с уголь -ными и наливными маршрутами. К тягово -энергетическим испытаниям были привлече -ны научные работники ВНИИЖТ, ДВГУПС, ОмГУПС и динамометрические лаборатории ВНИИЖТ, ЗабЖД и ДВЖД. Методика прове -дения опытных поездок была утверждена ЦТ МПСибазировалась на временнойметодике и инструкции по проведению опытных поездок для определения критических норм массы гру -зовых поездов при электровозной тяге [1]. По -лигон железной дороги от Мариинска до На -ходки имеет ряд горных перевалов с кривыми

малого радиуса, что требует применения рас -пределенной многократной тяги в связи с су -ществующим тяговым подвижным составом. НаДальневосточной железнойдороге горными лимитирующими участками являются Сихотэ -Алинский, Тахинский и Бархатный перевалы – участка Смоляниново–Партизанск. Наиболее трудным является Сихотэ-Алинский перевал, где имеются S-образные кривые малого радиу -са до 195 м и подъемыдо 28 ‰. Общаядлина этого участка 28 км. Тяговые испытания по оценке возможности ведения поезда массой 6000 тна этомучастке кратнойтягойс головы двумя электровозами серииВЛ80Р иподталки -вающимтрехсекционнымэлектровозомВЛ80С, показали, что общая нагрузка электровозов по контактнойсетипревышает 1100А, имело место переключение проходного зеленного сигнала на красный, в результате воздействий обратного тока врельсовой цепиповреждены 90 % основ -ныхидублирующихсоединителей, наблюдалось уширениеколеидо 4 мм, зазорывстыкахувели -чилисьс 17 до 25 мм, аугонпутидо 150 мм [1].

Моделирование динамических процессов в поезде прирасстановке локомотивовпо схеме – 4 секции электровоза ВЛ80 в голове и З сек -ции вхвосте (первый вариант), а затем 3 сек -ции в голове и 4 секции в последней трети поезда (второй вариант) показало, что опас -ными являются два аварийных случая – сра -батывание защиты на головном локомотиве и снятиенапряжениявконтактнойсети. Втабл. 1 приведены результаты расчетов этих усилий, выполненных ВНИИЖТ для участкаФридман -КрасноармейскийДВДЖ.

Таблица 1

Продольныеусилиявпоезде

Вес поезда, т

Схемарас

-положения локомотивов

попоезду

Срабатывание защитына головномло

-комотиве, Тс

Снятие

напряжения вконтакт

-нойсети, Тс

6 000 Вариант 1 Fсж =120 Fраст=75

5 600 Вариант 1 Fраст=70

6 000 Вариант 2 сж 105

F =

раст 76

F =

5 800 Вариант 2 Fсж =98 Fраст=70

Эти расчеты выполнены при скорости дви -жения 47 км/чна 26 ‰ подъеме.

Результаты расчетов ВНИИЖТ достаточно хорошо согласуются с опытными поездками. При вождении поездов массой 6 000…6 300 т научастке 7 секциями электровоза ВЛ80 отме -ченозначительное несоответствиефактической скоростидвижения поездаирасчетной. Анало -гичноеположениевсвоевремянаблюдалосьна обводном участке Северо-Муйского тоннеля. Это объясняется неточностью тяговых расче -тов, аименно, отсутствиемучета дополнитель -ного сопротивления движению поезда при на -личииS-образныхкривыхмалогорадиуса. В [3] предложены формулы для расчета дополни -тельногосопротивлениядвижениювзависимо -сти от радиуса кривой и их взаимного распо -ложения. Так, при нахождении части поезда в двух кривых противоположного направления предложено дополнительное сопротивление учитыватьповыражению

к к

п

730 R

ω = ⋅A

A ,

гдеR – радиускривой; A_к – длинакривой; A_п – длина поезда. Для трех кривых предложена формула

к к

п

880 R

ω = ⋅A

A

идлячетырехкривых

к к

п

1050 R

ω = ⋅A

A .

На рис. 1 приведены зависимости дополни -тельного сопротивления от кривых согласно существующей формуле (зависимость 1) и за -висимости 2–4 при наличии 2–4 кривых соот -ветственно.

300 400 500 R, м

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

ω_кр,

Н/кН

4 3

2 1

Рис. 1. Дополнительноесопротивление

движениюпоездаотS-образныхкривых На горных участках Смоляниново– Партизанск и Дуссе–Алинь (Северный ход) ДВЖД согласно расчетам дополнительное со -противление движению поезда, с учетом S -образныхкривых, массой 6 000 т, длиной 1 200 м составляет 3,0…4,43 Н/кН. На этих участках имеет место значительное снижение скорости движенияичастыеслучаиобрывовавтосцепок. Дополнительное сопротивление от S-образных кривыхпревышаетдо 25 % расчетноезначение согласнозависимости1.

Изучение условий движения тяжеловесных поездовпокривыммалогорадиусапоказало, что тележки грузовых вагонов на первых метрах кривой устанавливаются в перекосное положе -ние и сохраняют такое положение до выходаиз кривой. Для определения причин, вызывающих разворот вагонных тележек в рельсовой колее, быловыполненоисследованиединамикивписы -ваниявагонной тележкивкривыемалогорадиу -са. Быларазработанаматематическаямодельва -гоннойтележки, позволяющаяопределить кине -матическиеидинамическиепараметрывписыва -ниядляразличныхэксплуатационныхусловий.

Углом параллелограммирования тележки ниже считается угол между продольной осью колеснойпарыиплоскостью, перпендикулярной к продольной оси тележки. Наибольшие значе -ния этого угла определяются величинами про -дольныхипоперечныхзазороввузлахсопряже -ния корпусов букс с боковинами. При произ -вольном положении тележки в рельсовойколее ее продольная ось образует с соответствующей касательной к осевой линии колеи некоторый угол, называемый углом перекоса. Угол парал -лелограммированияλиуголперекосаψвзятыв качествеобобщенныхкоординаттележки.

Возможны три режима движения тележки в кривоймалогорадиусасприжатиемкнаружно -му рельсу гребня передней колесной пары: в первом режиме одновременно изменяются угол

λиуголψ, во второмизменяетсятолькоуголλ

при ψ ≡0 (кнаружномурельсуприжатыгребни обеихколесныхпар), втретьемизменяетсяугол

ψприпостоянном углеλ (раматележки – твер -дое тело). Расчетами установлено, что первый режим не бывает продолжительным: на первых метрах движения тележки по кривой он сменя -етсялибовторым, либотретьимрежимом.

В зависимости от величины зазоров в бук -совых узлах тележки возможны два варианта установившегося движения тележки в кривой малого радиуса: при небольших зазорах (λ_max < 0,01 рад) реализуется третий режим, прибольших (λ_max > 0,01 рад) – второйрежим. Вработе [3] указывается, чтосреднеезначение угла параллелограммирования для тележек ЦНИИ–ХЗ–0 равно 0,0212 рад, а в условиях эксплуатации встречаются тележки, у которых

λ_maxможетбытьболее 0,0524 рад [5]. Значит, в эксплуатационных условиях движения тележек вкривыхмалогорадиусачащевстречаетсявто -рой режим. Это согласуется и с эксперимен -тальнымиданными, упомянутымив [6].

Втабл. 2 приведенырезультатырасчетовпо определениюмаксимальных значений сил нор -мальногодавленияна наружныйрельсгребней колеспервой (N₁) ивторой (N₂) колесныхпар передней тележки четырехосного груженого полувагона, расположенного в середине соста -ва, движущегосясоскоростью 10 м/с в кривой радиуса 300 м при возвышении наружного рельса 0,15 м, ширине колеи 1,53 м, продоль -ном уклоне пути 0,025; λ₀ и ψ₀ – начальные значения углов (принято λ =₀ 0 и ψ₀ =0), t – времяотначаладвижениядомоментастабили -зациисоответствующегорежима.

Из табл. 2 видно, какими параметрами ха -рактеризуются установившиеся режимы дви -жения тележки для конкретных исходных дан -ных. Были выполнены расчеты и для других исходных данных. Во всех случаях условия реализации установившихся режимов соответ -ствовали описанным выше закономерностям. Характерно, что силы давления на наружный рельс растут с увеличением угла. Результаты, приведенныевтаблице, соответствуютслучаю, когдавузлахтележкиотсутствуеттрение. Учет трения приводит к изменению только времени t, иногдавнесколькораз.

Таблица 2

Второйрежимдвижениятележкивкривой

0

λ ,

рад

max

λ ,

рад t, с N1, кН N2, кН

0,02 1 61,02 43,65 0

0,05 2,7 150,76 133,39 0,02 0,54 64,74 47,37 0,01

0,05 2,1 174,10 120,72 0,02 0 64,73 47,30 0,02

0,05 1,6 148,71 131,33 0,02 0 92,74 75,30 0,03

0,05 1 145,04 127,67 0,02 1 120,74 103,30 0,04

0,05 0,6 151,93 134,56

Значениясил N₁ и N₂ (табл. 2) полученыв предположении, что впроцессе измененияуг -ла параллелограмирования λ₀ до λ_max каса -тельные силы в точках контакта с рельсами поверхностей катания колесопределяются ги -потезойкрипа. Быливыполненырасчетыидля случаев, когда силы крипа сменяются посто -янными по величинесилами сухого трения. В этих случаях значения N₁ и N₂ получились меньше, чемв соответствующихстроках табл. 2, особенно для λ_max=0,05 рад; суммарное давление на наружный рельс оставалось по -прежнемузначительным.

Если зазоры в буксовых узлах тележки по -зволяютувеличивать угол параллелограммиро -вания до значений, больших 0,01 рад, то при установившемся движении тележки в кривой гребни обеих колесных пар будут прижаты к наружному рельсу; угол парллелограммирова -ния стремительно увеличивается до значений, соответствующих полной выборке зазоров в буксовыхузлах; суммарное давлениена наруж -ный рельс гребней колес такой тележки может статьвнесколькоразбольше давлениянарельс гребня передней колесной пары тележки с ма -лымизазорамивбуксовыхузлахиугломпарал -лелограммированияменьше 0,01 рад.

Чтобы существенно уменьшить интенсив -ностьбоковогоизносарельсоввкривыхмалого радиуса, надо исключить из эксплуатации ва -гонные тележки с предельным углом паралле -лограммирования более 0,01 рад. Этого можно добиться ужесточением допусков на продоль -ные и поперечные зазоры в узлах сопряжения корпусовбукссбоковинами.

Комплексныйанализмоделипоказал, чтодля тяжеловесных поездов надо разработать особые режимы движения по кривым малого радиуса: продольныесилывсоставе, скоростьдвижения, возвышение наружного рельса должны быть такими, чтобы не было перегрузки внутреннего рельса. Тогда перекашиваниетележек врельсо -войколеевозникать небудет, вписывание теле -жек в кривые будет требовать меньше затрат энергии локомотива, боковой износ рельсов и гребнейколесбудетвнормальныхпределах.

Представляется необходимым высказать еще одно замечание по проблеме пропуска поездов повышенноймассыидлинынагорныхучастках, когдаимеетсяявное несоответствиевозвышения наружногорельсаискоростидвиженияпоезда.

Такие случаи не редкость при состоянии пути в настоящее время, когда по причине износа рельсов или других дефектов устанав -ливаетсяограничениескорости, авозвышение остаетсяпрежним.

Известно, что непогашенное ускорение дви -женияпоездарассчитываетсяпоформуле

2

13 h

g

R S

υ

τ = − ,

где

υ

ч

км

;

R

кривой, м; h – возвышение наружного рельса,

мм; S – расстояние между кругами катания

колес, равноедлянормальнойколеи 1600 мм.

В случае, если длина поезда больше длины кривой, то дополнительное сопротивление от кривойрассчитываетсяпоформуле

к

п

200 1,5 r

w

R l

⎛ ⎞

=_⎜ + τ_⎟

⎝ ⎠

A

.

Расчетыпоказали, что приограничении ско -рости движения или невозможности выдержать скорость в кривых для вышеназванных горных участков 60…40 км/ч суммарное дополнитель -ное сопротивление для поезда длиной 1200 м будетсоставлять 2,78…3,08 Н/кН, что приводит кзначительным перегрузкамлокомотивовипо -явлению продольно-динамических колебаний, способствующихобрывамавтосцепок.

Как отмечается в [7] при ведении поездапо -вышенной массы и длины на горных участках железных дорог наблюдаются высокоамплитуд -ныеколебания при проходеS-образныхкривых. Так, научастке Анисимовка–Тигровый, с помо -щью акселерометров производства Analog De-vices ADXL–105 EM3, размещенных по длине поезда, выявлены «иглообразные» импульсы амплитудой до 2,78 g продолжительностью 0,1…0,15 мс. С природой появления таких кратковременных импульсов по длине поезда следует еще разобраться, хотя возможность их фиксации при современной методике по -становки эксперимента, на наш взгляд, позво -лит дать ответ: – почему при нормальном ре -жиме ведения поезда имеют место обрывы автосцепок «по живому» в головкеавтосцепки (рис. 2) или хвостовике автосцепки (рис. 3). Припроведениитехнических экспертизпоэтим обрывам былирассчитаныусилия наобрыв, ко -торые впервом случаесоставили 3925 кН, а во втором – 4297 кН.

Рис. 2. Разрывавтосцепкивпоезденаперегоне

Рис. 3. Разрывхвостовикавпоезде№ 2909

научасткеМони–Болен

Распределенная тяга при вождении поездов повышенноймассы идлины, какотмечалосьвы -ше, опаснас точкизрения выдавливаниявагонов присрабатываниизащитынаголовномлокомоти -ве. Такие крушения имели место на Северной, Западно-Сибирской и Восточно-Сибирской же -лезныхдорогах. Расчетыраспределенияпопоез -ду массой 6 000 т усилия от подталкивающего электровозаВЛ80Рипри отключенииголовного электровозапоказали, что имеетсяреальная воз -можность выдавливания вагонов на участках с подъемами более 5 ‰. Следует напомнить, что рядом нормативных документов установлено – длявыдавливания дажегруженоговагонадоста -точно 50 тс. Процессвкатыванияколеснойпары зависитотсостоянияцентральнойопорыибоко -выхскользунов, разницыкоэффициентовтрения на головке внутреннего и наружного рельса в кривых, наличиясмазкинабоковойповерхности рельсовиряддругихпричин.

На рис. 4 построены зависимости возникаю -щих продольных сил в составе поезда массой 6 000 тпридвижении вагонамивпередпоподъе -мам 5 и 10 ‰ икривым R=250 ми 500R= м.

Рис. 4. Зависимостьпродольныхсилвсоставе

поездапридвижениивагонамивперед

Из рис. 4 видим, что на 10 ‰ можно ожи -дать схода 50 вагона с хвоста поезда. Зависи -мость продольных сил в составе поезда при движении вагонами вперед: 1, 2, 3 – зависи -мость продольных сил в поезде при движении напрямомучасткепутиипоподъему 10i= ‰ вкривых 250R= м и 500R= м соответствен -но; 1', 2', 3' – зависимость продольных сил в поезде при движении по подъему i=5 ‰ в кривых R=0, 250R= м и 500R= м соответ -ственно; 4 – значениемаксимальнодопустимых продольных сил в поезде при движении ваго -намивперед.

Снизить вероятность выдавливания можно за счет обеспечения синхронного сброса на -грузки на всех локомотивах впоезде и исклю -чениявыводапоездаметодомподталкивания.

По работеможно сделать следующие выво -дыирекомендации:

1. Для приведения в соответствие нагруз -ки локомотивов на горных участках железных дорог ввести в Правила тяговых расчетов учет дополнительногосопротивления от S-образных кривыхмалогорадиусасучетомихколичества, взаимного расположения, радиуса и соотноше -ниядлиныкривойипоезда.

2. Для участков кривых с длительно дей -ствующимиограничениями скоростидвижения поездов по состоянию пути производить кор -ректировкунаружноговозвышениярельса.

3. С целью снижения дополнительного сопротивления от S-образных кривых малого радиуса рекомендуется запретить эксплуата -цию вагонных тележек с предельным углом параллелограммированияболее 0,01 рад.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК

1. Отчет по результатам опытных поездок на по

-лигоне Мариинск – Находка. – М.: ЦТ МПС, 2002. – 97 с.

2. Мугинштейн Л. А. Комплексные испытания вождения поездов массой до 6000 т нанаправ

-ленияхХабаровск – Находка–Владивосток: Отчет НИР / Л. А. Мугинштейн, В. И. Рахманинов. – М.:

ВНИИЖТ, 2002. – 72 с.

3. Дениско Н. П. Возможные причины обрывов автосцепок: Исследования и разработки ресур

-сосберегающих технологий на железнодорож

-номтранспорте / Н. П. Дениско, В. В. Кравчук,

А. Е. Стецюк // Межвузовскийсб. науч. трудов с международным участием. – Самара: СамИ

-ИТ, 2001. – Вып. 21. – С. 176–180.

4. Доронин В. И. Определение силы давления на рельс гребнянабегающего колесавагонной те

-лежки в кривой малого радиуса / В. И. Доро

-нин, И. И. Доронина // Новыетехнологии – же

-WT 80 70

60

50

40

30

20

10

80 60 40 20 1

4 2

3 1

1′ 2′

3′

лезнодорожному транспорту: подготовка спе

-циалистов, организация перевозочного процес

-са, эксплуатация техническихсредств: Сб. науч.

статей смеждународным участием. В 4 частях.

Ч. 1 Омскийгос. университетпутейсообщения. –

Омск, 2000. – С. 288–292.

5. Вериго М. Ф. Взаимодействие пути и подвиж

-ногосостававкривыхмалогорадиусаиборьба с боковымизносомрельсов игребнейколес. –

М.: ПТКБЦПМПС, 1997. – 207 с.

6. Сцепляемостьи проходимостьвагоновв кривых малогорадиусаипогоркам / Подред. Ю. А. Ха

-пилова // ТрудыЦНИИМПС. – М.: Транспорт, 1971 – В. 440, – 96 с.

7. КейноМ. Ю. Анализ результатов опытных по

-ездок с тяжеловесными поездами на участке Смоляниново–Находка // Вестникинститутатя

-ги и подвижного состава: Труды 44-й Всерос

-сийской науч.-прак. конференции «Современ

-ные технологии – железнодорожному транс

-порту и промышленности» №, 25–26 января

2006 г.; Подред. В. Г. Григоренко. – Хабаровск:

Изд-воДВГУПС, 2006. – Вып. 3. С. 51 – 54.