Обоснование допустимого зазора между остряком и рамным рельсом

Правилами технической эксплуатации железных дорог Сою­за ССР установлен предельный зазор между остряком и рам­ным рельсом.

Превышение этого зазора может привести к на­беганию колеса на остряк и сходу подвижной единицы.

Допустимый зазор между прижатым остряком и рамным рельсом, геометрия профилей остряка и рельса обеспечивают плавное и безопасное перекатывание колеса с рамного рельса без ударов гребня обода колеса о торец остряка. В ПТЭ и дру­гих руководящих документах установлены допуски на износы обода колеса, рамного рельса и остряка, при которых не на­рушаются условия безопасности движения поездов по стрелке (табл. 10). Значение Δ определено исходя из требования отсут­ствия удара колеса о торец остряка при неблагоприятных, но достаточно вероятных сочетаниях износа рамного рельса, обода колеса и остряка.

С помощью специально разработанной математической мо­дели на ЭВМ был имитирован процесс перекатывания колеса с рамного рельса на остряк в зоне его торца. Эта модель по­зволила установить зависимость допустимого зазора Δ от ряда параметров: проката обода П, вертикального износа рамного рельса J и параметра приближения обода к рамному рельсу S, равного расстоянию между вертикальной осью симметрии рам­ного рельса и вертикальной линией обода, удаленной от внутренней грани обода на 80 мм.

Износ остряка в его торце не учиты­вался, поскольку наи­худшим с точки зре­ния возможности кон­тактирования с ободом является неизношен­ный остряк. Любой из­нос остряка уменьша­ет вероятность сопри­косновения его торца с ободом.

Профили неизно­шенных обода колеса, рамного рельса и ост­ряка показаны на рис. 30.

В табл. 11 приве­дены основные разме­ры рельса, мм, в за­висимости от его типа.

При описании из­ношенных профилей обода колеса исполь­зовали данные массо­вого обмера колес, проведенных ВНИИ- ЖТом (рис. 31) [6]. Для учета влияния предельно изношенно­го гребня при моделировании дополнительно задавали ^четыре реальных профиля с тонким гребнем, износ которого развивался в направлении вертикального подреза и образова­ния остроконечного наката (рис. 32,а — г).

Пределы изменения П и J соответствовали их допустимым значениям: П = 9 мм, J = 8 мм. При этом учитывался и некото­рый боковой износ рамного рельса, при котором ухудшаются условия перекатывания. На практике боковой износ рамных рельсов в районе торца остряка почти не наблюдается, гораз­до вероятнее образование наката на рамном рельсе.

По результатам моделирования были построены зависимости предельно допустимого зазора Δ от износа рамного рельса и обода колеса (рис. 33).

При отсутствии износа обода и рам­ного рельса на стрелочном переводе типа Р65 обод может ка­саться остряка только при зазоре Δ=11,9 мм (для рельсов ти­па Р50 зазор Δ = 12,1 мм). Максимально изношенный обод при максимальном износе рамного рельса типа Р65 может коснуть­ся остряка, если он будет отставать на 3,9 мм (для рамного рельса типа Р50—на 4,1 мм), но особую опасность представ­ляет обод, износ которого развивается в направлении верти­кального подреза гребня (в том числе с остроконечным греб­нем). В этом случае при любых износах рамного рельса зна­чения Δ не превышают 4 мм, а наименьшее значение Δ = 0,1 мм (рис. 34). Оно соответствует максимальному износу рамного- рельса 7 = 8 мм.

В то же время многолетняя эксплуатация стрелок с допус­ком Δ_п = 4 мм показала, что этот допуск удовлетворяет требо­ваниям безопасности движения поездов. Это означает, что си­туации, при которых совпадают несколько наихудших парамет­ров П, J и S, практически не встречаются.

Анализ колесных пар, поступивших в ремонт в депо, и ма­териала путеобследовательской лаборатории по вертикально­му износу рамных рельсов показали, что за срок службы из­нос этих элементов не достигает максимальных значений, уч­тенных при моделировании. Как показывает .статистика, эти элементы выходят из строя по причинам усталости металла и дефектов контактного происхождения. Кроме того, примерно в 90% случаев колесная пара проследует стрелочный перевод так, что расстояние между рамным рельсом, к которому при­жат остряк, и гребнем обода превышает 2,5 мм (это расстоя­ние измеряется от крайней точки рамного рельса до гребня в сечении, удаленном от вершины гребня на 18 мм). И только в 10% случаев это расстояние оказывается меньшим 2,5 мм. Следовательно, случаи, когда обод максимально приближен к рамному рельсу, встречаются еще реже. Тем более редки слу­чаи всползания гребня обода на остряк, для которых зазор Δ оказывается минимальным.

Это означает, что при обос­новании нормы на допустимый зазор Δ^н недостаточно пользо­ваться полученными при моде­лировании минимальными зна­чениями Δ, соответствующими максимальным износам обода и рамного рельса, а необходи­мо учесть вероятность событий, соответствующих критическим состояниям взаимодействую­щих элементов.

С учетом этого под предель­но допустимым зазором Δ бу­дем понимать такое его значе­ние, при котором в течение срока службы стрелочного перевода математическое ожидание числа ударов обода в остряк в его торце при движении поезда по стрелке будет меньше 1, а вероятность этого события Р<1/N, где N — число циклов прохода колес по данному остряку в противошерстном направлении за срок службы данного перевода.

Число циклов можно оценить по данным пропущенного за срок службы стрелочного перевода тоннажа Т и среднесетевой нагрузки на ось q, т. е. N=Т/q.

При этом необходимо взять крайний случай — следование поездов по стрелке только в противошерстном направле­нии по одному из двух по­ложений стрелки. Это вы­звано тем, что такие пере­движения довольно часты при эксплуатации стре­лочных переводов.

Нормативным сроком службы стрелочных пере­водов типа Р65 является 300 млн. т, а стрелочных переводов типа Р50 — 230 млн. т пропущенного тоннажа.

Согласно дан­ным ВНИИЖТа среднесегевая нагрузка на ось со­ставляет 140 кН/ось. Та­ким образом за срок службы стрелочного пере­вода типа Р65 осуществ­ляется до 21,4*10⁶ циклов проезда колесных пар, а стрелочного перевода 59 типа Р50— до 16,4*10⁶ циклов. Следовательно, вероятность удара обода в остряк на стрелочном переводе Р65 должна быть меньше Р=4,7 * 10^-8, а на стрелочном переводе Р50—меньше Р=6,1 * 10-⁸. С учетом того, что для стрелочных переводов типа Р50 условия перекатывания колеса на остряк несколько лучше, чем для стрелочных переводов Р65, а требо­вания ,к вероятности Р несколько слабее, дальнейшие расчеты приводятся для худшего варианта, т. е. для стрелочных перево­дов типа Р65.

Таким образом, допустимым зазором Δ_н можно считать та­кое его значение, при котором в пределах срока службы стре­лочного перевода вероятность удара обода в остряк Р<4,7*10^-8. Этот критерий подтверждается многолетним опытом эксплуа­тации стрелок и используется для обоснования норм на путей­ские параметры стрелочных переводов.

Расчет вероятности удара гребня обода в остряк с учетом распределений проката обода, износа гребня и рамного рель­са, приведенных ниже, распределений предельного зазора Δ_п (см. рис. 17) и динамической добавки Δ_дин (рис. 35), а также данных табл. 12 и 13 позволили установить, что вероятность удара гребня обода о торец остряка не превышает Р = 4,7*10^-8.

Подтверждением этого являются данные эксперимента (см. § 9). Во время его проведения был сделан анализ безопасности движения в противошерстном направлении по прямому и по бо­ковому путям. На рис. 36 показаны профили нового обода 1 и обода с изношенным гребнем 2 при их крайнем приближении к рамному рельсу и нанесены поля наблюдавшихся в эксперименте точек нахождения вершины торца остряка наиболее удаленного от рамного рельса. Гребни колес не касались торца остряка. Касания не произошло бы даже для максимально изношенно­го гребня с наиболее неблагоприятным с точки зрения ударов о торец остряка видом износа — вертикальным подрезом греб­ня. Границы изношенного гребня и поля точек нахождения вер­шины торца остряка удалены друг от друга на 0,5 мм. Для гребня нового колеса это удаление равно 4 мм (измерено по кратчайшему расстоянию между границами гребня и поля то­чек).

Кроме геометрии перекатывания колеса с рамного рельса на остряк, при обосновании зазора нужно учитывать прочностные характеристики остряка. Изменение положения остряка отно­сительно рамного рельса вызывает изменение траекторий движения колес подвижного состава при их прохождении че­рез зону перекатывания на стрелке, что в свою очередь при­водит к изменению динамических контактных сил в контакте «колесо — остряк» и напряженного состояния остряков. Для учета этого был проведен специальный эксперимент, который позволил установить влияние зазора на уровень контактных сил и напряжений в остряках.

Зазор, устанавливаемый при за­ездах испытательного поезда, соответствовал толщине шаблона Δ_ш=1,2÷5,5 мм. В составе опытного поезда находились по­лувагоны с осевой нагрузкой до 250 кН/ось, а скорости движе­ния были равны до 50 км/ч по боковому направлению перевода и 100 км/ч по прямому направлению перевода. Напряжения в криволинейном остряке составили 80—205 МПа при противо­шерстном движении экипажей и 64—178 МПа при пошерстном движении. При увеличений зазора возрастание напряжений от движения каждого экипажа не превышало 8 МПа. В прямом остряке напряжения достигали 68—122 МПа при противошерст­ном движении экипажей и 42—136 МПа — при пошерстном движении. При максимальном первоначальном зазоре 4 мм на­пряжения увеличивались до 6—16% от значений, соответствую­щих зазору 1,0 мм. Эти значения напряжений не превышают нормы 275 МПа.

Какой-либо четкой зависимости между уровнем сил давле­ния колес на остряки и первоначальным зазором не наблюда­лось. Общий уровень «динамических добавок» сил давления колес на остряки во всех исследованных вариантах не превы­шал того, что обычно наблюдается на стрелочных переводах того же типа и марки.