Определение усилий, действующих на колесную пару в кривой пути и проверка запаса устойчивости колесной пары

Передние колеса тележек вагонов при движении по кривым, а часто и на прямых участках пути набегают гребнями на боковые грани головок рельсов. Угол набегания может доходить до 0,01 рад и даже несколько больше (в крутых кривых). Место контакта гребня с головкой рельса находится впереди от вертикального радиуса колеса, что вызывает предварительное касание (рисунок 14).

Рисунок 14 – Положение колесной пары при набегании на рельс

Устойчивость колесной пары против схода с рельс проверяется для наиболее опасных случаев сочетания боковой поперечной силы взаимодействия набегающего колеса с рельсом и малой вертикальной нагрузки на это колесо. При одновременном, в течение некоторого времени, действии такого сочетания указанных сил, возможно вкатывание («вползание») гребня набегающего колеса на головку рельса и последующий сход вагона с рельсов.

Критическое сочетание действующих на колесную пару сил может возникать в следующих двух случаях:

– при ударном входе вагона в кривую, при проходе стрелок на боковой путь, при интенсивном вилянии тележки при движении с максимальной скоростью по прямому участку пути, при интенсивных боковых колебаниях кузова.

– при экстренном торможении тяжеловесного поезда на малой скорости с головного локомотива, при прохождении составом кривого участка пути, когда возникающие значительные квазистатические усилия сжатия состава могут привести к перекосу (сдвигу) вагона в колее и появлению больших поперечных сил взаимодействия колес с рельсами, а в экстренных условиях и к «выжиманию» легковесного (например, порожнего) вагона.

Коэффициент устойчивости колесной пары против схода с рельса (по условию вкатывания) определяется по формуле (8.1):

где b – угол наклона образующей конусообразной поверхности гребня колеса с горизонталью (60⁰);

m – коэффициент трения поверхностей колес и рельсов (0,25);

Р_В – вертикальная нагрузка от набегающего колеса на рельс;

Р_Б – боковое усилие взаимодействия гребня набегающего колеса и головки рельса (рисунок 15);

– допускаемое значение коэффициента запаса устойчивости.

Допускаемое значение коэффициента запаса устойчивости для грузовых вагонов принимается равным: =1,4.

Рисунок 15 – Схема сил действующих в точке контакта

Вертикальная нагрузка от набегающего колеса на рельс вычисляется по формуле (8.2):

где – сила тяжести обрессоренных частей вагона, действующая на шейку оси колесной пары (8.3):

где Т и Р – тара и грузоподъемность вагона;

q – сила тяжести необрессоренных частей, приходящихся на колесную пару;

тс;

n – число осей в тележке;

m – число шеек осей в тележке.

По расчету:

.

k_ДВ1 – расчетное значение коэффициента вертикальной динамики экипажа, приближенно принимается k_ДВ1 = 0,75 k_ДВ.

где а – коэффициент, равный для элементов кузова а = 0,05, для обрессоренных частей тележки а = 0,10, для необрессоренных частей тележки а = 0,15;

–коэффициент, учитывающий влияние числа осей в тележке или группе тележек под одним концом вагона;

v – расчетная скорость движения;

f_СТ – статический прогиб рессорного подвешивания.

По расчету:

.

k_ДБК – расчетное значение коэффициента динамики боковой качки приближенно принимается k_ДБК1 = 0,25 k_ДВ =0,25×0,279=0,07;

Н_Р – расчетное среднее значение рамной силы (8.5):

где р₀ – расчетная статическая осевая нагрузка;

d – коэффициент, учитывающий тип ходовых частей вагона. Для грузовых вагонов на безлюлечных тележках с большой горизонтальной жесткостью подвешивания d = 0,003;

2b – расстояние между серединами шеек осей, для стандартных колесных пар 2b = 2,036 м;

По расчету:

.

l – среднее расстояние между точками контакта колес с рельсами, принимается l =1,58 м;

а₁ = 0,250 м и а₂ = 0,220 м – расчетные расстояния от точек контакта до середины шеек;

r = 0,45 м – радиус средневзвешенного колеса.

По расчету:

Приведенные параметры показаны на рисунке 16.

Рисунок 16 – Схема расчета устойчивости колес против схода с рельсов

Боковоеусилие взаимодействия гребня набегающего колеса и головки рельса вычисляется по формуле (8.6):

где Р₂ – вертикальная нагрузка от второго колеса на рельс (8.7):

По расчету:

;

.

Расчетный коэффициент запаса устойчивости больше нормативного =1,4, что удовлетворяет условию вкатывания. На основании этого можно сделать вывод, что устойчивость колеса при движении по рельсам достаточна.