Повышение ресурса пары “колесо-рельс” за счет рационального подбора свойств материалов

Бунькова Тамара Геннадьевна
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

ВВЕДЕНИЕ
1. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЕСА И РЕЛЬСА
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПРОВОДИМОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Основные причины повреждения колеса
1.2. Основные причины повреждения рельса в эксплуатации
1.3. Исследование взаимодействия пары трения «колесо – рельс»
1.4. Выводы
2 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТВЕРДОСТИ СТАЛИ КОЛЕСА И
РЕЛЬСА НА ИХ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ
2.1 Анализ моделей трения в системе «колесо – рельс»
2.2 Анализ существующих методов моделирования
трибологических систем
2.3 Выбор методики экспериментальных исследований
взаимодействия колеса и рельса
2.3.1 Математическая модель процесса изнашивания колеса и
рельса при их взаимодействии с использованием некомпозиционных
планов второго порядка
2.3.2 Математическая модель процесса изнашивания колеса и рельса при
их взаимодействии с использованием симплекс-решетчатых планов
Шеффе третьего порядка
2.3.3 Зависимость износостойкости колеса и рельса от твердости их
сталей при взаимодействии
2.4 Выводы
3 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТВЕРДОСТИ СТАЛИ КОЛЕСА И РЕЛЬСА НА
ЗНАЧЕНИЯ КОНТАКТНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
3.1 Моделирование упругого контакта в зоне трения «колесо – рельс»
3.2 Определение зависимости влияния твердости сталей колеса
и рельса на значения контактных напряжений
3.3 Результаты испытаний малогабаритных образцов на абразивное
изнашивание и контактную усталость
3.4 Выводы
4 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТВЕРДОСТИ СТАЛИ КОЛЕСА И РЕЛЬСА НА ИХ
ИЗНОС В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ И CКOPOCTИ
ДBИЖEHИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
4.1 Зависимость износостойкости колеса и рельса от скорости
движения подвижного состава
4.2 Экспериментальные исследования взаимодействия колеса
и рельса при переменной скорости движения подвижного состава
4.3 Математическая модель процесса изнашивания колеса и рельса в
зависимости от скорости движения и осевой нагрузки с использованием
некомпозиционных планов второго порядка
4.4 Математические модели, прогнозирующие износ в паре «колесо –
рельс», с учетом скорости, действующей нагрузки и соотношения
твердости сталей
4.5 Макроструктурный анализ изношенной поверхности
колесной и рельсовой стали
4.6. Выводы
5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
5.1. Экономический эффект от уменьшения потребности в
цельнокатаных колесах за счет увеличения срока службы колеса
5.2. Экономический эффект от сокращения количества
обточек в расчете на год
5.3. Экономический эффект от сокращения времени
простоя вагонов в ремонте
5.4. Экономический эффект от увеличения межремонтного пробега и
эксплуатационного ресурса колеса
5.5. Экономический эффект от дополнительного объема перевозок
5.6. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
РАСЧЕТ И ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ…………………………………………….140
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ДОКУМЕНТЫ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ПРАКТИЧЕСКУЮ
РЕАЛИЗАЦИЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ………………………….143

Во введении на основе результатов ранее выполненных исследований,
отечественного и зарубежного опыта раскрыта актуальность темы и целевая установка диссертационной работы, направленная на увеличение ресурса колес и рельсов, а также выбора рационального соотношения твердости ко- лесной и рельсовой сталей, при существующей тенденции повышения осе- вой нагрузки и скорости движения.
В первой главе рассмотрены основные причины повреждения колес и рельсов в эксплуатации, произведен анализ данных эксплуатации колес нормальной и повышенной твердости, а также изучены результаты исследо- ваний процесса изнашивания при взаимодействии элементов «колесо – рельс» и существующие возможности повышения их эксплуатационного ресурса.
Проведенный анализ данных эксплуатации колесных пар показал, что использование колес с повышенной твердостью снижает вероятность возник- новения таких дефектов как остроконечный накат гребня и тонкомерный гре-
бень, но при этом увеличивается процент неисправностей, связанных термо- механическими повреждениями (выщербины, ползуны и др.).
Выявлены основные причины повреждения рельсов, установлено, что наибольшее их количество приходится на изломы, выкрашивания, отслаива- ния и трещины в головке.
Во второй главе оценивалось влияние твердости стали при взаимодей- ствии колеса и рельса на их износостойкость; выполнен анализ моделей трения в системе «колесо – рельс», существующих методов моделирования триболо- гических систем; выбрана методика экспериментальных исследований этого взаимодействия.
Разработанная методика экспериментальных исследований является уточненной по сравнению с существующей, так как она дает возможность оце- нивать износостойкость колеса и рельса с учетом изменения скорости движе- ния вагона и нагрузки на ось. В разработанных математических моделях рас- сматривались значения твердости головки рельса для каждой серии проведен- ных экспериментов в соответствии со значениями нижнего, среднего и верх- него показателя по ГОСТ Р 51685–2013.
Экспериментальные исследования приводились к условиям, близким к реальным, с использованием теории подобия в соответствии с π-теоремой: скорость движения модели колеса принята равной скорости реального в про- цессе эксплуатации. Рассчитаны значения нагрузок, действующих на колесо в эксплуатации при прохождении прямых и кривых участков пути, и количество циклов, соответствующих периоду интенсивного дефектообразования на по- верхности катания. Методом анализа размерностей произведен переход от натуральных к имитируемым параметрам. В качестве показателей интенсив- ности изнашивания приняты относительная потеря массы образцов колеса и рельса.
Для прямых участков пути были проведены экспериментальные испы- тания на изнашивание образцов с использованием некомпозиционного рота- табельного плана второго порядка (для серии опытов с твердостью рельса 363 НВ). Получены следующие уравнения регрессии в кодовых значениях варьи- руемых параметров, описывающих влияние твердости колеса х1 и вертикаль- ной нагрузки х2 на интенсивность изнашивания:
(1) для рельса – y  0,0975  0,0133x  0,0231x  0,0525x 2  0,0058x 2  0,0115x x , (2)
для колеса – y  0,245  0,0017x  0,0491x  0,12x 2  0,0767x 2  0,0404x x ; a121212
b 121212
где ya , yb – интенсивность изнашивания соответственно материала
колеса и рельса; х1, х2 – кодированные значения твердости и вертикальной нагрузки.
Оценка статистической значимости коэффициентов регрессии прово- дилась по критерию Стьюдента. По уравнениям регрессии (1) и (2) постро- ены линии равного отклика (рис. 1). Для перехода от кодированных значе- ний к натуральным НВ и Р применяют выражения:
НВ = 328 + 35 х1 (3) Р = 1200 + 780 х2 (4) Используя зависимости (3) и (4), можно определить влияние твердо-
сти и вертикальной нагрузки на интенсивность изнашивания колеса и рельса в любой точке исследованной области эксперимента.
Для кривых участков пути были проведены эксперименты с исполь- зованием симплекс-решетчатого плана, в котором учитывается три фактора: твердость материала колеса х1, вертикальная х2 и горизонтальная нагрузка х3 на колесо. Получены следующие уравнения регрессии в кодовых значениях варьируемых параметров:
потеря массы колеса –
ya 0,04×1 0,24×2 0,3×3 0,135x1x2 0,3825x1x3 0,54x2x3  (5)
0,225x1x2(x1 x2)1,1925x1x3(x1 x3)1,08x2x3(x2 x3)0,4275x1x2x3; потеря массы рельса –
(6) 1,215x1x2(x1 x2)0,405x1x3(x1 x3)0,2025x2x3(x2 x3)2,0925x1x2x3,
yb 0,02×1 0,14×2 0,17×3 0,045x1x2 0,045x1x3 0,4275x2x3 
где уа, уb, – параметры, характеризующие интенсивность изнашива- ния; х1, х2, х3 – кодированные значения твердости, вертикальной и боковой нагрузок.
Для перехода от кодированных значений по линиям равного отклика к натуральным НВ, Р1 и Р2 используются выражения:
НВ = 293 + 70 х1 (7) Р1 = 420 + 1560 х2 (8) Р2 = 195 + 1384 х3 (9)
По уравнениям (5), (6) построены линии равного отклика (рис. 1, б). 8

Анализ данных, приведенных на рис. 1, показал, что снижение интен- сивности изнашивания колесной и рельсовой стали достигается при соотно- шении твердости пары «колесо – рельс» равном 1 (≈HBк360/HBр360).
а) б)
Рисунок 1 – Линии равного отклика по некомпозиционному ротатабельному (а) и симплекс-решетчатому (б) планам
В целях конкретизации полученных результатов были поставлены уточняющие эмпирические исследования, состоящие из нескольких экспе- риментов, с эксплуатационной нагрузкой, равной константе (в прямых участках железнодорожного пути).
Зависимости износостойкости рельса и колеса от различных значений твердости сталей представлены на рисунке 2.
а)
9

б)
Рисунок 2 – Зависимость износостойкости рельса и колеса от значений твердости их сталей:
а) граничное значение твердости стали рельса 4010 МПа; б) среднее значение твердости стали рельса 3630 МПа
В третей главе оценивалось влияние твердости сталей колес марок Л, Т, 2 и твердости рельса на значения контактного напряжения.
Выполнен сравнительный анализ методик расчета размера пятна кон- такта колеса и рeльcа. Проведено исследование влияния соотношения твер- дости сталей колеса и рeльcа при действии oсeвой нагрузки на размеры пятна контакта и контактные напряжения, которые вызывают в эксплуата- ции появление дефектов контактно-усталостного происхождения выкраши- вание и выщербины на поверхности катания колес.
Наличие на поверхности катания выщербин изменяет геометрию па- раметров пятна контакта системы взаимодействия «колесо – рельс» из-за появления «П-образной» выработки. В соответствии с этим актуальным ста- новится вопрос оценки влияния контактно-усталостных дефектов – выщер- бин на напряженное состояние в зоне взаимодействия колеса и рельса при разной толщине обода колеса.
Так как колесо симметрично, рассматривалась только 1⁄4 его части, что позволило за счет использования меньшего числа конечных элементов упростить решение задачи.
Смоделированы четыре проекции колеса: с номинальной толщиной обода без дефекта; с номинальной толщиной обода с дефектом – выщер-
бина; с толщиной обода 22 мм без дефекта; с толщиной обода 22 мм с де- фектом – выщербина.
Данная модель представляет собой колесо с геометрическим плоским диском и рельс Р65 (радиус головки рельса 500 мм), размеры колеса и рельса принимались в соответствии с нормативными документами, глубина вы- щербины принята равной 6 мм. Анализ результатов расчетов показал, что:
– у колес без дефекта (без выщербины на поверхности контакта) мак- симальные эквивалентные напряжения расположены на глубине 4–5 мм от поверхности, максимальное напряжение – 0,71 от наибольшего контактного давления;
– у колес, имеющих выщербину на глубине 4–5 мм от поверхности катания в зоне «П-образной» выемки, максимальное эквивалентное напря- жение – 1,71 от наибольшего контактного давления.
С уменьшением значения толщины обода колеса с дефектом – выщер- бина контактное давление возрастает с 1346 до 1617 МПа, но максимальные эквивалентные напряжения при этом практически не увеличиваются (при номинальной толщине обода – 1754 МПа, при толщине обода 22 мм – 1762 МПа)
В соответствии с полученными результатами можно предположить о необоснованной выбраковке колесных пар с тонким ободом и имеющими дефект на поверхности катания колеса – выщербина глубиной до 6 мм.
Например, при наличии на поверхности катания колеса выщербины глубиной 5 мм колесная пара должна браковаться при толщине обода 26 мм и гребня 29 мм. При этом толщина обода в месте образования дефекта составит 21 мм. Исходя из минимально допустимой толщины гребня в экс- плуатации 24 мм остаточный ресурс такого колеса по износу гребня (1 мм толщины гребня, соответствует 10–12 тыс. км пробега) достигнет через 50– 60 тыс. км пробега. И так общий ресурс колеса сокращается на 10 – 12,5 % от общего ресурса 400–500 тыс. км пробега.
Для увеличения ресурса колеса целесообразно рекомендовать допуск дефекта – выщербина глубиной до 6 мм у колес с наименьшей толщиной обода, даже при снижении толщины обода в месте выщербины менее 22 мм.
Эквивалентные напряжения в месте дефекта у такого колеса будут практи- чески такие же, как у нового колеса с аналогичным дефектом.
В соответствии с полученными результатами исследования можно сделать вывод, что образец из стали марки Т (твердость 320 НВ) незначи- тельно уступает образцу из стали марки 2 (твердость 255 НВ) по контактной усталости и отличается меньшим значением коэффициента массового из- носа. Сталь марки Л (твердость 280 – 320 НВ) показала наилучший резуль- тат сопротивления контактной усталости, и так же превосходит сталь марки 2 по параметрам износа гребня. На стадии слабого износа наименьшие зна- чение коэффициента массового износа у стали Л.
Результаты испытания на контактную усталость представлены на ри- сунке 3.
Рисунок 3  Максимальное контактное давление, соответствующее среднему значению предела выносливости
В четвертой главе выполнена оценка влияния твердости стали колеса и рельса на их износ в зависимости от осевой нагрузки и скорости движения подвижного состава (ПС).
Проведены экспериментальные исследования взаимодействия колеса и рельса при переменной скорости движения ПС на стенде с использова- нием модернизированного поперечно-строгального станка модели 735, ко- торый был дооснащен необходимыми элементами для моделирования про- цесса движения колеса по рельсу с имитацией воспринимаемых нагрузок.
В процессе эксплуатации поверхностный слой металла колеса и рельса упрочняется в результате наклепа, а минимальный износ пары «ко- лесо–рельс» наблюдается при соотношении твёрдости близком к единице,
твёрдость образцов колеса и рельса принималась 440 НВ для первой серии опытов, 400, 360 и 320 НВ – для второй, третьей и четвертой серий опытов. Экспериментальные испытания на изнашивание образцов выполня- лись с использованием некомпозиционного ротатабельного плана второго
порядка.
При рассмотрении взаимодействия в системе «колесо – рельс» выде-
лены два независимых входных фактора: х1 – вертикальная нагрузка Р, дей- ствующая на колесо; х2 – скорость движения вагона V. Значения скоростей и нагрузок выбирались в соответствии с линейной скоростью вращения ко- лёсной пары и нагрузки на ось, действующей в эксплуатации, с учётом по- правочных коэффициентов согласно π-теореме. В качестве характеристики интенсивности изнашивания для колеса была принята ya – относительная потеря массы образца, для рельса yb – относительное изменение линейного размера.
Уравнения регрессии, описывающие влияние нагрузки и скорости движения вагона на износостойкость колеса ya, рельса yb, имеют вид:
ya  0,0175  0,0133×1  0,0115×2  0,0125×12  0,0008×2 , (10)
yb  0,015  0,01×1  0,0058×2  0,01×12  0,0033×2 , (11)
По уравнениям регрессии (10) – (11) построены шестигранные мо- дели, для определения минимального износа колеса (а) и рельса (б) в зави- симости от значений соотношения твердости (рис. 4).
Если их рассматривать по отдельности, то можно выявить зависи- мость износостойкости колеса и рельса от нагрузки (Х1) и скорости (Х2). При совмещении этих шестигранников в правильные шестигранные призмы, ещё добавляется ось Х3, по которой указываются значения соотношения твердости колеса и рельса. Нижний шестигранник построен для соотноше- ния твердости колеса и рельса 320/320 (НВк/НВр). Эти математические мо- дели позволяют оценить интенсивность изнашивания колеса и рельса в за- висимости от осевой нагрузки, скорости движения и соотношения их твер- дости. По ним можно определить рациональное значение этого соотноше- ния в зависимости от скорости движения и осевой нагрузки, при котором интенсивность износа колеса и рельса минимальна с целью увеличения их ресурса.
а) б
Рисунок 4  Модели для определения минимального износа колеса (а) и рельса (б) в зависимости от соотношения твердости
Из рис. 4 видно, что рациональное значение твердости стали системы «колесо – рельс», при котором интенсивность изнашивания минимальна, равно 360 HBк/360 HBр.
На рисунке 5 приведены экспериментальные зависимости отражаю- щие влияние соотношения твердости на изнашивание пары «колесо – рельс». Аналогичные выводы сделаны по результатам экспериментов для каждого конкретного значения осевой нагрузки и скорости следования подвижного состава. Интенсивность изнашивания образцов с диапазоном соотношений твердости стали 360/360 НВ – 360/400 НВ в два раза ниже, чем образцов с соотношением твердости стали трибосистемы «колесо – рельс» 320/360 НВ, которое используется в настоящее время.
Рисунок 5 – Влияние соотношения твердости стали на износ колеса (а) и рельса (б)
Проведен сравнительный анализ ресурса колеса с соотношением твер- дости стали системы «колесо – рельс» 320 НВк/360 НВр и 360 НВк/360 НВр, в результате которого установлено, что твердость колеса и рельса 360 НВ позволяет увеличить пробег до первой обточки, а также и срок службы колеса. На рисунке 6 представлены результаты испытания об- разцов из колесной стали (зависимости проката от пробега колеса до первой обточки) соответственно при соотношении твердости стали 320/360 НВ и 360/360 НВ.
Рисунок 6 – Зависимость проката от пробега колеса до первой обточки
В пятой главе произведена оценка эффективности предлагаемого ре- шения по применению оптимального соотношения твердости сталей колеса и рельса, что в свою очередь позволит снизить износ трибосистемы «колесо – рельс».
Экономический эффект достигается за счет: уменьшения потребности в цельнокатаных колесах в связи с увеличением их срока службы; сокраще- ния количества обточек колес в расчете на год; сокращения времени простоя вагонов в ремонте; увеличения межремонтного пробега и эксплуатацион- ного ресурса колеса; дополнительного объема перевозок.
Годовой экономический эффект, рассчитанный на основании данных, представленных вагоноремонтными депо Центральной дирекции по ре- монту грузовых вагонов Западно-Сибирской железной дороги – филиала ОАО «РЖД», составит 1,37 тыс. руб. на единицу продукции (вагонное ко- лесо).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе «Повышение ресурса пары «колесо – рельс» за счет рационального подбора свойств материалов» изложены но- вые научно обоснованные технические и технологические решения и разра- ботки, направленные на увеличение ресурса колеса и рельса.
Основные научные и практические результаты диссертационной ра- боты состоят в следующем:
1. Произведен анализ дефектов, исключенных из эксплуатации колес- ных пар «стандартных» и «твердых» колес, который позволил выявить неоднозначную зависимость износоустойчивости и ресурса трибосистемы «колесо – рельс» от твердости сталей. С увеличением твердости стали ко- леса снижается процент дефектов – тонкий гребень и остроконечный накат гребня, но увеличивается процент отцепок по ползунам и выщербинам.
2. Предложена экспериментальная мeтoдикa определения рациональ- ного соотношения твердости сталей рельса и колеса, учитывающая, пере- менные осевые нагрузки и скорости движения подвижного состава, которая позволяет спрогнозировать межремонтный период (пробег) колеса грузо- вого вагона, и может использоваться при проектировании нового подвиж- ного состава и в качестве рекомендаций при производстве железнодорож- ного пути.
3. Выполнены экспериментальные исследования оценки зависимости износоустойчивости и ресурса пары «колесо – рельс» от соотношения твер- дости их сталей с использованием спроектированной установки.
4. Разработаны математические мoдeли, позволяющие определить наименьший износ элементов в системе «колесо – рельс» и соотношение твердости их сталей, учитывающие скорости движения подвижного состава и действующие осевые нагрузки. Выявлено оптимальное соотношение твер- дости сталей колеса и рельса (360/360 НВ) при любых условиях эксплуата- ции, которое позволит снизить интенсивность изнашивания данных элемен- тов и повысить ресурс и межремонтный пробег колеса грузового вагона до 1,5 раз.
5. Ожидаемый годовой экономический эффект при использовании предложенного соотношения твердости сталей колеса и рельса составит 1,37 тыс. руб. на единицу продукции (вагонное колесо).

Актуальность. На сегодняшний день проблема повышения производи-
тельности и снижения себестоимости перевозочного процесса на железнодо-
рожном транспорте решается путем повышения осевой нагрузки и скорости
движения подвижного состава. Практика эксплуатации вагонного парка по-
казала повышение интенсивности изнашивания, как колес, так и рельсов, что
несомненно, отражается на безопасности движения поездов по железнодо-
рожному полотну.
Экспериментально установлено, что износоустойчивость трибоэлемен-
тов системы «колеса и рельса» в большей мере характеризуется твердостью
их материалов. Многочисленные опыты по влиянию твердости на износ осу-
ществлялись для колеса и рельса обособленно друг от друга. Колесная и
рельсовая стали должны обладать физико-механическими свойствами, соот-
ветствующими прилагаемыми к ним высоким статическим нагрузкам и спо-
собствующими устойчивости перед динамическим воздействием, обуслов-
ленным ускорениями, возникающими при движении состава, кроме того,
должна учитываться экономическая составляющая [16].
В последние годы на железных дорогах РФ произошел рост интенсив-
ности изнашивания колес и рельсов, снижение усталостной и контактно-
усталостной прочности поверхностей обода колес и головки рельса и др.
[34, 40, 58, 61, 73].
Снизить износ колеса и рельса возможно путем поиска оптимума в со-
отношении между твердостью колесной и рельсовой сталями.
В связи со сложившейся ситуацией повышенного износа принято реше-
ние о повышении твердости колес грузовых вагонов до 360 НВ.
В последнее время участились отцепки вагонов в ТОР (текущий отце-
почный ремонт) по тонкому гребню (67 %), выщербинам (24,2 %), ползуну
(1,1%) и др. (рис. 1) [12].
Практика эксплуатации вагонного парка показала, что большинство
колесных пар поступают в ремонт с тонким гребнем. Также имеет место по-
вышение интенсивности изнашивания рельсов. Поэтому проблема выбора
рационального соотношения твердости колесной и рельсовой сталей, осо-
бенно при существующей тенденции повышения осевой нагрузки и скорости
движения, становится весьма актуальной.

Рисунок 1 – Причины изъятия вагонов из эксплуатации в
неплановый ремонт за 2017 – 2018 г
Тема диссертационной работы является актуальной и входит в пере-
чень задач научно-технического развития железнодорожной отрасли [13].
Степень разработанности темы. Задачей оценки влияния твердости
сталей колеса и рельса на процесс их изнашивания и способам повышения ре-
сурса занимались такие ученые, как Алехин С.В., Богданов А.Ф.,
Бороненко Ю.П., Буйносов А.П., Вихрова А.М., Воробьев А.А., Губенко С.И.,
Иванов И.А., Калкер Дж., Картер Ф., Коссов В.С., Крагельский И.В.,
Марков Д.П., Макиенко В.М., Майба И.А., Петракова А.Г., Ражковский А.А.,
Рауба А.А., Урушев С.В., Школьник Л.М, Шилер А.В., Шур Е.А.,
Щербак П.Н., Эберсон В.
Данные результатов исследований оценки соотношения твердости стали
на износостойкость элементов взаимодействия колеса и рельса весьма проти-
воречивы, что говорит о недостаточной степени проработанности этой про-
блемы.
Объект исследования – система взаимодействия колеса и рельса.
Область исследования – влияние свойств колесной и рельсовой сталей
на их ресурс.
Цель исследования. Повышение ресурса пары «колесо – рельс» за счет
рационального подбора свойств их материалов.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие за-
дачи:
– провести анализ дефектов железнодорожных колес и рельсов по дан-
ным российских железных дорог;
– разработать научную концепцию опытного определения интенсивно-
сти изнашивания колеса и рельса в процессе взаимодействия в зависимости
от твердости их сталей, осевой нагрузки и скорости движения вагона;
– предложить оригинальный подход к установлению оптимального па-
раметра твердости сталей колеса и рельса для различного диапазона нагрузок
и скоростей движения подвижного состава используемых в процессе эксплу-
атации;
– провести экспериментальные исследования с использованием методов
математического моделирования влияния параметров пары трения «колесо-
рельс» на их ресурс;
– определить эквивалентные напряжения и контактные давления колес
с номинальной и минимальной толщинами ободьев при наличии и отсут-
ствии выщербины;
– предложить рекомендации по увеличению ресурса колеса и рельса;
– произвести оценку экономической эффективности предлагаемых ре-
комендаций по оптимизации значений твердости колеса и рельса.
Методология и методы исследования. В теоретических исследовани-
ях использованы основные положения трибологии, теории планирования
эксперимента и математического моделирования. Экспериментальная часть
работы базируется на методике определения износа колеса и рельса с исполь-
зованием специально разработанного оборудования, методики определения
твердости, металлографического анализа. Анализ полученных данных произ-
веден в программных комплексах ANSYS, Statistica, Mathcad.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Построены математические модели зависимости износа от параметров
твердости трибосистемы «колесо – рельс», действующей осевой нагрузки и
скорости движения вагона.
2. Предложен рациональный диапазон значений твердости сталей же-
лезнодорожного колеса и рельса, снижающих их износ и повышающих меж-
ремонтный пробег колеса.
3. Установлена зависимость износа колеса от пробега до образования
проката браковочного значения при различных значениях твердости сталей
колеса и рельса.
4. Определены эквивалентные напряжения и контактные давления колес
с номинальной и минимальной толщинами ободьев при наличии и отсутствии
выщербины.
Достоверность результатов исследования. Достоверность приведен-
ных результатов проделанной работы подтверждена сходимостью теоретиче-
ских и экспериментальных данных исследований, и обеспечивается правиль-
ностью выбора исходных данных и построения математических моделей, а
также обоснованностью принятых допущений.
Теоретическая значимость работы обоснована тем, что:
– разработан и доказан принципиально новый метод прогнозирования
ресурса колес и рельсов в зависимости от условий эксплуатации и соотноше-
ния твердости их сталей, а также наличия выщербин на поверхности катания
колеса;
– результативно использованы базовые методы теории трения и изна-
шивания пары «колесо-рельс» в различных условиях на основе современного
уровня знаний с учетом физики явлении, протекающих в зонах контакта вза-
имодействующих поверхностей;
– изложены идеи повышения ресурса колес и рельсов с учетом опти-
мального соотношения твердости колесной и рельсовой сталей;
– раскрыты существенные проявления теории трения, заключающиеся в
выявлении новых проблем создания марок колесной и рельсовой сталей
обеспечивающих, повышенную износостойкость пары «колесо-рельс»;
– изучены зависимости износа колеса от пробега до образования прока-
та браковочного значения при различных значениях твердости сталей колеса
и рельса;
– проведена модернизация математической модели зависимости износа
от параметров твердости трибосистемы «колесо – рельс», действующей осе-
вой нагрузки и скорости движения вагона.
Практическая значимость работы:
– разработаны и внедрены рекомендации по увеличению ресурса колес
и рельсов в зависимости от условий эксплуатации и соотношения твердости
их сталей, а также наличия термомеханических повреждений поверхности
катания колеса;
– определены границы диапазона физико-механических характеристик
пары «колесо-рельс» при которых обеспечивается получение износостойко-
сти пары не ниже существующих показателей;
– созданы модели и методика рационального использования показате-
лей твердости сталей элементов системы «колесо – рельс» с учетом измене-
ния нагрузки и скорости движения, позволяющая спрогнозировать значение
межремонтного пробега колеса грузового вагона, которая может быть ис-
пользована при проектировании нового подвижного состава и железнодо-
рожного пути;
– представлены рекомендации по значениям твердости сталей колеса и
рельса по оптимальному их соотношению друг к другу с учетом эксплуата-
ции, позволяющие снизить их износ и повысить межремонтный пробег коле-
са.
Положения, выносимые на защиту:
1. Оригинальная методика экспериментального исследования, позволя-
ющая оценить влияние твердости сталей в системе «колесо-рельс» на их из-
нос.
2. Результаты исследования при проведении натурных экспериментов
влияния твердости сталей в системе «колесо-рельс» на их износостойкость
при взаимодействии.
3. Рекомендации по повышению ресурса колес и рельсов в зависимости
от рационального подбора соотношения твердости их сталей.
4. Определены эквивалентные напряжения и контактные давления колес
с номинальной и минимальной толщинами ободьев при наличии и отсутствии
такого дефекта как выщербина.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы до-
ложены на: VII Международная научно-практическая конференция «Акту-
альные достижения европейской науки» (г. Белгород, 2011), Всероссийская
научно-техническая конференция c международным участием «Технологиче-
ское обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодо-
рожного подвижного состава» (г. Омск, 2011-2017), Научно-практическая
конференция «Инновационные проекты и технологии в образовании, про-
мышленности и на транспорте» (г. Омск, 2012, 2014, 2020), Международная
научно-методическая конференция «Путь XXI века» (г. Санкт-Петербург,
2013), Национальная научно-техническая конференция «Прогрессивные тех-
нологии, применяемые при ремонте железнодорожного подвижного соста-
ва», г. Санкт-Петербург, 2020, 2021). Предложения по реализации обсужда-
лись также на заседаниях кафедры «ТТМ и РПС» ОмГУПСа, «Технология ме-
таллов» ПГУПС.
Личный вклад. Результаты, приведенные в диссертационной работе
при исследовании взаимодействия колеса и рельса с учетом влиянии различ-
ных факторов, получены автором самостоятельно, а именно:
– разработана методика экспериментального исследования, позволяю-
щая оценить влияние твердости сталей в системе «колесо-рельс» на их износ;
– проведены эксперименты по влиянию твердости сталей в системе «ко-
лесо-рельс» на их износостойкость при взаимодействии;
– разработаны рекомендации по повышению ресурса колес и рельсов в
зависимости от рационального подбора соотношения твердости их сталей.
Публикации. Основные положения диссертационной работы и научные
результаты опубликованы в 41 печатных работах, из них 10 – в рецензируе-
мых изданиях, включенных в Перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ
для публикации результатов диссертационных работ и приравненных к ним, 1
– в индексируемых международных цитатно-аналитических базах данных
Web of Science и Scopus, получены 5 авторских свидетельств на полезную
модель.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Дис-
сертационное исследование проведено в соответствии с паспортом специаль-
ности ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации
05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрифика-
ция, и соответствует следующим разделам «Области исследования» паспорта
специальности: п. 10 «Взаимодействие подвижного состава и пути. Системы,
средства и материалы, снижающие износ элементов пути и ходовых частей
подвижного состава и повышающие безопасность движения».
Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введе-
ние, пять глав с выводами по каждой главе, заключение по работе, изложена
на 151 странице машинописного текста, содержит 29 таблиц, 64 рисунка и
2 приложения. Список используемых источников литературы насчитывает
78 наименований.

1. Произведен анализ дефектов исключенных из эксплуатации колес-
ных пар стандартных и «твердых» колес, который позволил выявить неодно-
значную зависимость износоустойчивости и ресурса трибосистемы «колесо –
рельс» от твердости сталей. С увеличением твердости стали колеса снижает-
ся процент следующих дефектов – тонкий гребень и остроконечный накат
гребня, но увеличивается процент ползунов и выщербин.
Большой процент отцепок грузовых вагонов осуществляется по неис-
правностям колесных пар являются тонкий гребень – 59,8 % и выщербины –
24,9 %. Выявлены и основные причины повреждения железнодорожных
рельсов, 60% неисправностей приходится на дефекты – выкрашивание и от-
слаивание металла на головке рельca, трещины в головке рeльca и изломы.
2. Предложена экспериментальная мeтoдикa определения рациональ-
ного соотношения твердости сталей рельса и колеса учитывающая перемен-
ные осевые нагрузки и скорости движения подвижного состава, которая поз-
воляет спрогнозировать межремонтный период (пробег) колеса грузового ва-
гона, и может использоваться при проектировании нового подвижного соста-
ва и в качестве рекомендаций при производстве железнодорожного пути.
3. Выполнены экспериментальные исследования оценки зависимости
износоустойчивости и ресурса пары «колесо – рельс» от соотношения их
твердости сталей с использованием спроектированной установки, которые
показали достаточно точное совпадение и сходимость с расчетными значени-
ями.
4. Разработаны математические мoдeли, позволяющие определить
наименьший износ элементов в системе «колесо и рельс» и соотношение их
твердости сталей, учитывающие скорости движения подвижного состава и
действующие осевые нагрузки. Выявлено оптимальное соотношение твердо-
сти сталей колеса и рельса (360/360 НВ) при любых условиях эксплуатации,
которое позволит снизить интенсивность изнашивания данных элементов и
повысить ресурс и межремонтный пробег колеса грузового вагона в 1,5 – 2
раза. Значение межремонтного пробега увеличивается со 180 тыс. км до 300
тыс. км.
5. Ожидаемый годовой экономический эффект при использовании
предложенного соотношения твердости сталей колеса и рельса составит 1,37
тыс. руб. на единицу продукции (вагонное колесо).

134
136
138
140
Таблица 1 – Расчетные и опытные данные основных параметров контакта системы «колесо – рельс»
по методу Герца
142

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Читать

    Публикации автора в научных журналах

    Выбор оптимального соотношения твердости цельнокатаного колеса грузового вагона и железнодорожного рельса
    Дизайн и технологии, 2No С. 102 – Бунькова, Т.Г. Исследование рационального соотношения твердости в си- стеме «колесо – рельс»/ А.А. Ражковский // Известия Транссиба, 2No 1 (13). С. 34
    Оптимизация соотношения твердости пары трения «колесо – рельс»
    А.А. Ражковский, А.Г. Петракова, О.В. Гателюк // Трение и износ, 2Т. No С. 433 – Бунькова, Т.Г. К вопросу об оптимальном соотношении твердости пары «колесо – рельс» / А.А. Воробьев, А.А. Соболев // Известия Петербургского уни- верситета путей сообщения, 2Т. Вып. С. 77
    Исследование напряженного состояния в контакте «колесо – рельс» при наличии выщербины
    А.А. Воробьев, И.В. Федоров, И.К. Са- маркина, О.А. Конограй // Известия Петербургского университета путей сообще- ния, 2Т. No С. 562 – Бунькова, Т.Г. Математическое описание процесса изнашивания пары «ко- лесо – рельс» // Мир транспорта, 2Т. 17, No С. 6
    Повышение живучести железнодорожного колеса за счет применения поверхностно-упрочняющих технологий
    Мир транспорта, 2Т. 19, No С. 48 – 17- Патенты на полезную модель:
    Определение геометрических параметров термомеханических повреждений на колесе по размеру выщербин, возникших на модельных роликах
    А.А. Воробьев, О.А. Конограй // Прогрессивные технологии, применяемые при ремонте железнодорожного подвижного состава. Сборник трудов националь- ной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и мо- лодых ученых. 2С. 167 – Бунькова, Т.Г. Влияние условий эксплуатации на усталость металла ко- лес подвижного состава / В.Н. Корельская, Д.П. Кононов // Прогрессивные техно- логии, применяемые при ремонте железнодорожного подвижного состава. Сборник трудов национальной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных. 2С. 139
    Использование поверхностно-упрочняющих технологий для увеличения живучести железнодорожного колеса
    Modern scientific potential – 2Materials of the XVII International scientific and practical conference (February 28 – March 7) / Sheffield: Science and education LTD, 2P. 98

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Александр О. Спб государственный университет 1972, мат - мех, преподав...
    4.9 (66 отзывов)
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальн... Читать все
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальных уравнений. Умею быстро и четко выполнять сложные вычислительные работ
    #Кандидатские #Магистерские
    117 Выполненных работ
    Олег Н. Томский политехнический университет 2000, Инженерно-эконо...
    4.7 (96 отзывов)
    Здравствуйте! Опыт написания работ более 12 лет. За это время были успешно защищены более 2 500 написанных мною магистерских диссертаций, дипломов, курсовых работ. Явл... Читать все
    Здравствуйте! Опыт написания работ более 12 лет. За это время были успешно защищены более 2 500 написанных мною магистерских диссертаций, дипломов, курсовых работ. Являюсь действующим преподавателем одного из ВУЗов.
    #Кандидатские #Магистерские
    177 Выполненных работ
    Катерина В. преподаватель, кандидат наук
    4.6 (30 отзывов)
    Преподаватель одного из лучших ВУЗов страны, научный работник, редактор научного журнала, общественный деятель. Пишу все виды работ - от эссе до докторской диссертации... Читать все
    Преподаватель одного из лучших ВУЗов страны, научный работник, редактор научного журнала, общественный деятель. Пишу все виды работ - от эссе до докторской диссертации. Опыт работы 7 лет. Всегда на связи и готова прийти на помощь. Вместе удовлетворим самого требовательного научного руководителя. Возможно полное сопровождение: от статуса студента до получения научной степени.
    #Кандидатские #Магистерские
    47 Выполненных работ
    Дмитрий М. БГАТУ 2001, электрификации, выпускник
    4.8 (17 отзывов)
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал стать... Читать все
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал статьи, патенты, кандидатскую диссертацию, преподавал. Занимаюсь этим с 2003.
    #Кандидатские #Магистерские
    19 Выполненных работ
    Юлия К. ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск 2017, Институт естественных и т...
    5 (49 отзывов)
    Образование: ЮУрГУ (НИУ), Лингвистический центр, 2016 г. - диплом переводчика с английского языка (дополнительное образование); ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск, 2017 г. - ин... Читать все
    Образование: ЮУрГУ (НИУ), Лингвистический центр, 2016 г. - диплом переводчика с английского языка (дополнительное образование); ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск, 2017 г. - институт естественных и точных наук, защита диплома бакалавра по направлению элементоорганической химии; СПХФУ (СПХФА), 2020 г. - кафедра химической технологии, регулирование обращения лекарственных средств на фармацевтическом рынке, защита магистерской диссертации. При выполнении заказов на связи, отвечаю на все вопросы. Индивидуальный подход к каждому. Напишите - и мы договоримся!
    #Кандидатские #Магистерские
    55 Выполненных работ
    Татьяна М. кандидат наук
    5 (285 отзывов)
    Специализируюсь на правовых дипломных работах, магистерских и кандидатских диссертациях
    Специализируюсь на правовых дипломных работах, магистерских и кандидатских диссертациях
    #Кандидатские #Магистерские
    495 Выполненных работ
    Екатерина П. студент
    5 (18 отзывов)
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно... Читать все
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно занимаюсь английским языком, уровень владения - Upper-Intermediate.
    #Кандидатские #Магистерские
    39 Выполненных работ
    Катерина М. кандидат наук, доцент
    4.9 (522 отзыва)
    Кандидат технических наук. Специализируюсь на выполнении работ по метрологии и стандартизации
    Кандидат технических наук. Специализируюсь на выполнении работ по метрологии и стандартизации
    #Кандидатские #Магистерские
    836 Выполненных работ
    Анна Н. Государственный университет управления 2021, Экономика и ...
    0 (13 отзывов)
    Закончила ГУУ с отличием "Бухгалтерский учет, анализ и аудит". Выполнить разные работы: от рефератов до диссертаций. Также пишу доклады, делаю презентации, повышаю уни... Читать все
    Закончила ГУУ с отличием "Бухгалтерский учет, анализ и аудит". Выполнить разные работы: от рефератов до диссертаций. Также пишу доклады, делаю презентации, повышаю уникальности с нуля. Все работы оформляю в соответствии с ГОСТ.
    #Кандидатские #Магистерские
    0 Выполненных работ

    Последние выполненные заказы

    Другие учебные работы по предмету

    Энергосберегающее управление силовыми установками газотурбинных локомотивов
    📅 2022год
    🏢 ФГБОУ ВО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I»