Проблемы механики рельсового транспорта с новыми конструкциями колесных пар

ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИКИ 
РЕЛЬСОВОГО 
ТРАНСПОРТА 
С НООЫМИ 
S  
КОНСТРУКЦИЯМИ 
КОЛЕСНЫХ ПАР?

ИКЦ «АКАДЕМКНИГА»

я а винник

ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИКИ 
РЕЛЬСОВОГО 
ТРАНСПОРТА 
С НОВЫМИ 
КОНСТРУКЦИЯМИ 
КОЛЕСНЫХ ПАР

МОСКВА
ИКЦ «АКАДЕМКНИГА» 
2005

УДК 629.4.032+629.4.015+625.1.03 
ББК 39.22-04 
В 48

Рец ензенты : 
кафедра «Вагоны» Брянского государственного 
технического университета (БГТУ); 
академик РАН И. Г. Горячева; 
директор Ф ГУП  ВНИКТИ, доктор технических наук B.C. Коссов

Винник JI.B.
Проблемы механики рельсового транспорта с новыми конструкциями 
колесных пар. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. — 719 с.: ил.

ISBN 5-94628-243-3

На основе новой идеи конструктивного решения колесных пар рельсовых экипажей проведено исследование динамических свойств рельсового транспортного средства с колесными 
парами дифференциального вращения. Проанализированы кинематические и динамические 
свойства колес с использованием различных физических гипотез. На основе теории крипа 
установлены характеристики движения колес различной конструкции. Свойства пары трения во внутреннем контакте колеса дифференциального вращения получены путем численного моделирования как аналитическими методами, так и с помощью метода конечных элементов (М К Э ). Расчет характеристик извилистого движения колесной пары и экипажа 
произведен с применением линеаризованных и нелинейных расчетных схем с помощью специальных программных комплексов. Приведены результаты численного моделирования 
динамических свойств вагонов метрополитена и трамвая. Некоторые свойства колес дифференциального вращения и колесных пар с ними определены с помощью физических моделей, в том числе и на натурных конструкциях. Все теоретические результаты были коррели- 
рованы с натурными экспериментами вагона метрополитена и трамвая.
Монография рассчитана на широкий круг ученых и инженеров, работающих в области 
создания и эксплуатации рельсового транспорта, а также будет полезна аспирантам и студентам.

ISBN 5-94628-243-3
© Л.В. Винник, 2005 
© ИКЦ «Академкнига», 2005

ОГЛАВЛЕНИЕ

От автора................................................................................................. 
7
Введение ................................................................................................ 
9
Основные условные обозначения .......................................................... 
16

ГЛАВА 1

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НЕКОТОРЫХ СВОЙСТВ КОЛЕСА 
РЕЛЬСОВОГО ЭКИПАЖА

1.1. 
Предварительные соображения.................................................... 
19
1.2. 
Некоторые решения задач о качении традиционного колеса 
 21
1.2.1. Традиционное колесо на прямом рельсе............................... 
22
1.2.2. Традиционное колесо на круговом рельсе............................ 
75
1.3. Математическое моделирование кинематического
и динамического состояний К Д В................................................. 
78
1.3.1. Модели, базирующиеся на гипотезе абсолютной
твердости контактирующих тел.........................................  
80
1.3.2. Исследование движения деформируемого КДВ
с использованием теории крипа........................................  117
1.3.3. Модели КДВ, основывающиеся на гипотезах 
деформируемой сплошной среды......................................  146

ГЛАВА 2

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 
ИЗВИЛИСТОГО ДВИЖЕНИЯ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ

2.1. Общие замечания ........................................................................ 230
2.2. Геометрически линейная модель с физическими нелинейностями 
(первый уровень моделирования)................................................ 232
2.3. Геометрически и физически нелинейная модель
(второй уровень моделирования)................................................. 254
2.3.1. Модель для нахождения геометрических характеристик 
контакта колесной пары и пути.........................................  254
2.3.2. Моделирование извилистого движения колесной пары
с использованием модели второго уровня.......................... 268

Оглавление

ГЛАВА 3

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ 
РЕЛЬСОВОГО ЭКИПАЖА С КПДВ

3.1. 
Основные предпосылки.............................................................. 282
3.1.1. Сравнительный анализ свойств колесных пар при 
различных конструкциях колес и связях с тележками 
 
284

ГЛАВА 4

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО 
СРЕДСТВА С КПДВ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

4.1. 
Структура уравнений извилистого движения вагона.................. 294
4.2. Описание вычислительного комплекса, применяемого
для математического исследования динамики вагона.................  298
4.2.1. Общая характеристика комплекса.....................................  298
4.2.2. Блок формирования параметризованной динамической 
модели системы ................................................................. 300
4.2.3. Блок вычисления характеристик состояния объекта 
 
305
4.2.4. Блок обработки результатов............................................... 306
4.3. 
Анализ свойств модели вагона метрополитена с К П Д В ............. 309
4.3.1. Тестирование модели.........................................................  309
4.3.2. Сравнение некоторых феноменологических 
способов описания характеристик контакта
между колесным центром и ободом...................................  315
4.3.3. Оценка устойчивости движения ........................................  320
4.3.4. Движение по пути с гармоническими неровностями 
 
331
4.3.5. Движение по криволинейному пути..................................  348
4.4. Анализ динамических свойств рельсовых экипажей
с использованием уточненных моделей третьего уровня
на основе специального программного комплекса...................... 389
4.4.1. Предварительные соображения.........................................  389
4.4.2. Постановка решения задачи расчета железнодорожного 
рельсового экипажа с помощью комплекса UM Loco 
 
391
4.4.3. Расчет вагона метрополитена типа 717/714
с использованием U M Loco................................................ 402

ГЛАВА 5

АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРОДСКОГО 
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА (ТРАМВАЯ) С КПДВ

5.1. Предварительные замечания.......................................................  478
5.2. Параметры традиционного трамвайного вагона
и вагона с КПДВ и создание их компьютерных моделей.............  479

Оглавление
5

5.3. Динамический расчет вагона трамвая типа 71-608 К
с использованием UM Loco..........................................................  491

ГЛАВА 6

РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ВАГОНА МЕТРОПОЛИТЕНА 
И ТРАМВАЯ С КПДВ И ИДЕНТИФИКАЦИИ НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ 
СИСТЕМЫ

6.1. Методика и результаты исследований показателей 
динамических качеств вагона метрополитена с К П Д В ................  538
6.2. Результаты измерений углов проворота обода 
относительно колесного центра при линейных испытаниях
вагона метрополитена с КПДВ в 1995-1997 гг.............................. 544
6.3. Результаты анализа обработки экспериментальных данных 
 
550
6.4. Сравнение некоторых результатов эксперимента
и расчета, полученных для вагона метрополитена....................... 559
6.5. Выводы по результатам испытаний вагона метрополитена
с К П Д В ........................................................................................  561
6.6. Особенности методики и результаты экспериментальных 
исследований трамвая с КПДВ .................................................... 563
6.7. Анализ экспериментальных результатов по определению 
характеристик изнашивания элементов колес ТКП ....................  589

ГЛАВА 7

ИСПЫТАНИЯ КОЛЕС НА НАТУРНЫХ И МОДЕЛЬНОМ СТЕНДАХ

7.1. Задача оценки износа поверхностей катания
колес и рельсов............................................................................. 602
7.2. Исследование износа колеса с помощью модельных стендов 
 
606
7.2.1. Выбор схемы установки...................................................... 606
7.2.2. Конструкция установки для испытания поверхностей 
катания модели колеса на износ........................................  609
7.2.3. Модели дифференциальных колес..................................  613
7.2.4. Технология изготовления колец из высокопрочного
чугуна, устанавливаемых на колесные центры...................  614
7.2.5. Методика проведения испытаний на износ
сопряжений К Д В ...............................................................  616
7.2.6. Результаты испытаний на износ сопряжения
«обод—центр».................................................................... 619
7.2.7. Влияние материала и способа упрочнения поверхностей
на износ в контакте «обод—центр»....................................  621
7.2.8. Сравнительные испытания на износ поверхностей
контакта с рельсом моделей ТКП  и КПДВ ........................ 627

Оглавление

7.2.9. Выводы, полученные на основе проведенных испытаний
КДВ на износ..................................................................... 642
7.3. Исследования распределения напряжений по пятну контакта
в КДВ поляризационно-оптическим методом............................. 643
7.4. Испытания колес на натурных стендах с целью определения 
влияния конструктивных факторов на тяговые характеристики... 650
7.4.1. Общие положения............................................................. 650
7.4.2. Краткое описание натурного стендового оборудования
и специального К Д В ..........................................................  651
7.4.3. Методика и программа испытаний....................................  660
7.4.4. Результаты испытаний.......................................................  663
7.4.5. Приближенная методика расчетного определения тяговых 
характеристик КДВ при трогании с места.......................... 666
7.5. Результаты проведенных в Манчестерском университете 
испытаний на стенде, моделирующем извилистое
движение тележки........................................................................ 668

Заключение ............................................................................................ 676

Приложения

1. 
Геометрические параметры контакта бандажа
вагона метрополитена с рельсом Р50 ........................................... 681
2. 
Расчетные значения моментов MD и скорости проворота Дсо„с
в дифференциалах КП1 и КП2 в зависимости от коэффициента 
трения цс0 .................................................................................... 688
3. 
Износ при трении......................................................................... 690

Список литературы ................................................................................  703

ОТ АВТОРА

Памяти моей мамочки, 
Луизы Михайловны Винник, 
посвящается эта книга.

В основу книги легла многолетняя работа по изучению свойств колесной пары 
дифференциального вращения, которая некоторыми коллегами была охарактеризована как «парадоксальная колесная пара».
Исследование движения рельсового транспортного средства с такой новой 
конструкцией колесных пар потребовало объяснения и решения ряда не решаемых ранее задач механики как абсолютно твердого, так и деформируемого 
тела. Поэтому книга, если можно так выразиться, «располагается в междисциплинарном научном пространстве». С одной стороны, в ней приводятся результаты теоретических исследований некоторых задач механики, имеющих 
достаточно широкую область применения, с другой — здесь решены конкретные задачи динамики подвижного состава.
Кроме этого, большую часть книги занимает описание экспериментальных 
данных, полученных как на физических моделях, так и на натурных стендах 
и даже при проведении опытных поездок вагонов метрополитена и трамвая.
Круг решаемых проблем потребовал общения автора с целым рядом уважаемых ученых-механиков и их научных коллективов. В результате автору 
посчастливилось сотрудничать с американским коллегой доктором В. Гаргом, 
английским ученым доктором С. Ивницким и многими русскими учеными, 
которым автор весьма признателен.
В процессе работы над книгой ряд вопросов неоднократно обсуждался 
с разными специалистами как в личных беседах, так и на различных конференциях, симпозиумах и т.п. При этом мнения высказывались неоднозначные. 
Некоторые горячо поддерживали как общую концепцию, так и результаты. 
Другие были, напротив, настроены несколько скептически. Автор в равной 
мере благодарен и тем, и другим, поскольку любая честная оценка работы, 
в конечном счете, конструктивна. Автор считает своим долгом поблагодарить 
этих людей, с которыми удалось обсудить ряд проблем, и, прежде всего, доктора К. Джонсона (Англия), доктора В. Кика (Германия).
Большую помощь оказали автору также беседы с исследователями, непосредственно занимающимися задачами рельсового транспорта, и их содействие 
в проведении ряда экспериментов и компьютерных вычислений.
В связи с этим автор выражает глубокую благодарность профессору 
Московского государственного университета путей сообщения (МИИТа) 
А.Н. Савоськину, профессорам Брянского государственного технического

О т автора

университета (БГТУ) В.И. Сокало и Д.Ю. Погорелову и их замечательным коллективам, группе ученых Коломенского тепловозного института под руководством доктора технических наук B.C. Коссова, профессору Ю.П. Вороненко 
и его сотрудникам из Петербургского государственного университета путей 
сообщения (ПГУПСа), работникам Всесоюзного научно-исследовательского 
института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТа) и особенно профессору B.C. Ромену и В.М. Богданову.
Безусловно, успеху работы способствовало активное участие инженера 
А.М. Фридберга в создании конструкций этой колесной пары.
Выражаю сердечную признательность коллегам по работе, участвующим 
в испытаниях в трамвайном депо.
Много слов благодарности хочется высказать М.Н. Добычину за его весьма 
ценные редакционные поправки текста и помощь в уточнении некоторых 
понятий.
Особую благодарность необходимо выразить профессору Г.П. Бурчаку, 
который терпеливо прочитал мою рукопись и внес ряд критических замечаний. Кроме этого, помог разобраться в ряде тонких вопросов механики, которыми он владеет в совершенстве.
В заключение хочу выразить благодарность и мое искреннее восхищение 
отношением, проявленным ко мне одним из ученых механиков конструкций 
подвижного состава Владимиром Николаевичем Котурановым, который известен не только как ученый и педагог, но и как прекрасный художник и поэт. 
Его неоднократные методические советы, высказанные в долгих беседах, во 
многом направили меня на «истинный путь», и под его влиянием в моей книге иногда просвечивает «некоторая эпистолярность».
Автор весьма признателен JI.H. Беляевой за ее огромную работу по набору 
рукописи, написанной корявым почерком, и оформлению рисунков.
Автор благодарит издателей за их работу и особенно редактора А.С. Яновского и редактора Т.В. Шерстину, которая предварительно перед сдачей текста 
в редакцию проделала колоссальную работу по редактированию рукописи. Ее 
высокая квалификация, опыт и профессионализм позволили оформить данный 
материал в соответствии с современными требованиями.

ВВЕДЕНИЕ

Просите, и дано будет вам; 
ищите и найдете; 
стучите, и отворят вам.

Евангелие от Матфея 7,7

Закончив эту книгу, я долго думал над ее названием. С одной стороны, все 
казалось бы ясным. Материалы книги родились на основе осмысливания изобретения, запатентованного во многих странах [32, 54-60, 62, 143, 145, 146, 147, 
184—186, 285-289, 290, 291], в котором предполагалось новое конструктивное 
решение для колесной пары рельсового экипажа, и сравнения свойств такой 
конструкции с традиционными. Всем известно, что в существующих традиционных колесных парах колеса имеют жесткое соединение с осью. Отсюда 
и название — колесная пара, то есть конструкция, состоящая из двух колес, 
жестко насаженных на ось. В дальнейшем такую конструкцию будем называть 
традиционной колесной парой (ТКП).
Обладая целым рядом технологических и некоторых эксплуатационных 
преимуществ, такие колесные пары доставляют много неприятностей эксплуатационникам. И, прежде всего, потому, что такое соединение колес связано с большим износом как поверхностей катания ободов и бандажей, так 
и головок рельсов. У нас в стране, по мнению некоторых трибологов, эта проблема вышла на уровень «национального бедствия».
Понимая, что указанный износ связан с прохождением кривых участков пути 
и извилистым движением рельсовых экипажей, исследователи и конструкторы 
уже давно пытались создать такие системы, которые позволяли бы, сохраняя 
отдельные преимущества жестких колесных пар, улучшить условия прохождения ими кривых и уменьшить последствия извилистого движения в прямых. 
С этой целью производят, например, уширение колеи в кривых, лубрикацию 
рельсов и поверхностей колесных пар [93, 108, 131, 149, 199, 260, 261, 273, 279].
Одним из первых реализованных конструктивных решений в этом плане 
явилось упругое закрепление колесных пар в тележке. Появились также конструктивные решения, основанные на введении упругих элементов в самой колесной паре.
Поскольку износ в контакте «колесо—рельс» связан с проскальзыванием, 
с давних пор инженеры и ученые задумывались над созданием конструкции, 
позволяющей допускать разные угловые скорости вращения колес в одной колесной паре. Было предложено достаточно много способов введения упругих 
и упругодиссипативных связей для создания частичного сдвига или вращения 
между колесами с помощью различных муфт упругих элементов, включающих 
дифференциальные, а иногда даже и электромагнитные устройства.