mirtrМир транспортаWorld of Transport and Transportation1992-3252Russian University of Transport (RUT)10.30932/1992-3252-2024-22-1-4mirtr-2681Research ArticleНАУКА И ТЕХНИКАSCIENCE AND ENGINEERINGУточненные подходы к критериям оценки динамики в контакте «колесо–рельс»Updated Approaches to Criteria of Assessment of Dynamics in Wheel–Rail Contact AreaЕгоровП. Е.EgorovP. E.

Егоров Петр Егорович – старший преподаватель кафедры транспорта железных дорог ДВГУПС.

Хабаровск

Petr E. Egorov - Senior Lecturer at the Department of Railway Transport of Far Eastern State Transport University (FESTU).

Khabarovsk

P.E.Egorov@rambler.ruКобловР. В.KoblovR. V.

Коблов Роман Викторович – старший преподаватель кафедры транспорта железных дорог ДВГУПС.

Хабаровск

Roman V. Koblov - Senior Lecturer at the Department of Railway Transport of Far Eastern State Transport University (FESTU).

Khabarovsk

romashka.one2007@rambler.ruНовачукЯ. А.NovachukYa. A.

Новачук Ярослав Антонович – кандидат технических наук, доцент кафедры транспорта железных дорог ДВГУПС.

Хабаровск

Yaroslav A. Novachuk - Ph.D. (Eng), Associate Professor at the Department of Railway Transport of Far Eastern State Transport University (FESTU).

Khabarovsk

novachuk@inbox.ruДальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС)РоссияFar Eastern State Transport University (FESTU)Russian Federation2024181220242213035Copyright © Егоров П.Е., Коблов Р.В., Новачук Я.А., 20242024Егоров П.Е., Коблов Р.В., Новачук Я.А.Egorov P.E., Koblov R.V., Novachuk Y.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/2681

Согласно Транспортной стратегии Российской Федерации запланированы беспрецедентные объемы перевозок по БАМу и Транссибу за счет повышения весовых норм составов, участковых скоростей движения, эффективности тяговых возможностей тепловозов. Подобные задачи уже ставились в 70-е годы прошлого столетия. Их решение осложнялось недостаточным опытом (по современным представлениям) создания и применения опорно-рамных и комбинированных тяговых приводов на грузовых тепловозах и отсутствием объективного представления об эксплуатационных условиях, в которых предстоит работать проектируемым тепловозам. В этой связи, проектирование колесно-моторных блоков (КМБ) тележечных экипажей тепловозов с опорно-осевым подвешиванием тяговых приводов выполнялось на основе обобщенных результатов эмпирических исследований динамики различных типов и серий локомотивов.

Целью работы является разработка модели математического анализа и алгоритма расчета категорий динамических сил и скорости взаимодействия колес грузового тепловоза в контактах с рельсами, на стадии проектирования тяговых приводов, для обеспечения высоких технико-экономических показателей их работы в условиях эксплуатации.

Многолетний мониторинг надежности работы тепловозов на Восточном участке БАМа определил системные отказы оборудования экипажной части, которыми подтверждается необъективность расчетных конструкторских решений тяговых приводов тепловозов современных серий ТЭ25А, 2ТЭ25КМ и 3ТЭ25К2М, созданных в XXI веке. Системные отказы оборудования КМБ современных серий (ТЭ25КМ) являются следствием непосредственного «механистического» заимствования неудачных конструкторских решений универсальных экипажей тепловозов (ТЭ10 и ТЭ116).

В исследовании предложено уточнение теоретических положений моделирования качественных критериев динамики в контактах колес с рельсами тяговых приводов тепловозов на стадии проектирования. Механизм взаимодействия «колесо – рельс» обоснован математической теорией движения круга – циклоидой. Алгоритм оценки сил в контактах колес с рельсами построен на теоремах классической теоретической механики несвободного движения колесной пары и законах динамики как неизменяемой голономной системы.

Получено уточнение характеристик кинематики (угловая скорость, угловое ускорение), реальных центров скоростей и ускорений колес, моментов инерции вращающихся неподрессоренных масс колесно-моторных блоков с опорно-осевым подвешиванием тяговых приводов. Новый подход позволяет количественно оценивать критерии динамики в контактах колес с рельсами на стадии проектирования, которые раньше не поддавались расчету.

According to the Transport Strategy of the Russian Federation, unprecedented volumes of transportation along BAM and Trans-Siberian Mainline are planned thanks to an increase in train weight standards, traffic speed along the sections, efficiency of traction capacity of diesel locomotives. Similar tasks were already set in the 1970s. Their solution was complicated by insufficient experience (in light of the present state of knowledge) in development and use of frame support and combined traction drives on cargo diesel locomotives, and the lack of an objective idea of operating conditions in which the designed diesel locomotives would have to work. In this regard, the design of wheel-motor units (WMU) of diesel locomotive bogies with axial-supported suspension of traction drives was carried out based on generalised results of empirical studies of the dynamics of various types and series of locomotives.

The objective of the work is to develop a model of mathematical analysis and an algorithm for calculating the categories of dynamic forces and the speed of interaction of wheels of a cargo diesel locomotive in contact with rails at the design stage of development of traction drives to ensure their high technical and economic performance indicators under operating conditions.

Long-term monitoring of dependability of diesel locomotives on the Eastern section of BAM has allowed to identify system failures of the equipment of the locomotive’s underframe, which confirm the bias of the calculated design solutions for traction drives of diesel locomotives of modern TE25A, 2TE25KM and 3TE25K2M series, created in 21st century. System failures of WMU equipment of modern series (TE25KM) are a consequence of direct «mechanistic» borrowing of unsuccessful design solutions of universal diesel locomotive underframes (TE10 and TE116).

The article proposes a clarification of theoretical provisions for modelling qualitative criteria for dynamics in the contact areas of wheels with rails of traction drives of diesel locomotives at the design stage. The mechanism of interaction «wheel – rail» is supported by the mathematical theory of cycloid, a circle motion. The algorithm for estimating forces in the contact areas of wheels with rails is built on the theorems of classical theoretical mechanics of non-free movement of a wheelset and the laws of dynamics as an unchangeable holonomic system.

Clarifications were obtained for kinematics characteristics (angular velocity, angular acceleration); real centres of speed and acceleration of wheels; moments of inertia of rotating unsprung mass of wheel-motor units with axial-supported suspension of traction drives. The new approach makes it possible to quantify the criteria for dynamics in wheel-rail contact areas at the design stage, which were previously not amenable to calculation.

железнодорожный транспортлокомотивынесвободное плоскопараллельное движение колеспоступательная скорость подвижного составаугловая скоростьугловое ускорение взаимодействия кругов качения колес с рельсамиrailway transportlocomotivesnon-free plane-parallel motion of wheelstranslational speed of rolling stockangular velocityangular acceleration of interaction of tread circle of wheels with railsReferencesГапанович В. А., Попов Ю. И. О взаимодействии динамически нагруженной механической части электровозов и инфраструктуры // Локомотив. – 2021. – № 5 (774). – С. 2–5. EDN: UMAZYL.Gapanovich, V. A., Popov Yu. I. On the interaction of the dynamically loaded mechanical part of electric locomotives and infrastructure [O vzaimodeistvii dinamicheski nagruzhennoi mekhanicheskoi chasti elektrovozov i infrastruktury]. Locomotive, 2021, Iss. 5 (774), pp. 2–5. EDN: UMAZYL.Валинский О. С. Локомотивная тяга: настоящее и задачи на будущее // Локомотив. – 2017. – № 12 (732). – С. 2–6. EDN: ZVRVEV.Valinsky, O. S. Locomotive traction: present situation and challenges for the future [Lokomotivnaya tyaga: nastoyashchee i zadachi na budushchee]. Locomotive, 2017, Iss. 12 (732), pp. 2–6. EDN: ZVRVEV.Вериго М. Ф., Коган А. Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. – М.: Транспорт, 1986. – 558 с.Verigo, M. F., Kogan, A.Ya. Interaction of track and rolling stock [Vzaimodeistvie puti i podvizhnogo sostava]. Moscow, Transport publ., 1986, 558 p.Петров Н. П. Давление колес на рельсы железных дорог, прочность рельсов и устойчивость пути. – Петроград: Тип. Т-ва «Электро-тип. Н. Я. Стойковой», 1915. – 263 с.Petrov, N. P. Wheel pressure on rails of railways, rail strength and track stability [Davlenie koles na relsy zheleznykh dorog, prochnost relsov i ustoichivost puti]. Petrograd, Printing shop of the Partnership of Electro-printing house of N. Ya. Stoikov, 1915, 263 p.Карянин В. И. Памятный знак ученому – новатору // Локомотив. – 2020. – № 6 (762). – С. 46–48. EDN: QPLZTR.Karyanin, V. I. Memorial sign to the scientist-innovator [Pamyatniy znak uchenomu – novatoru]. Locomotive, 2020, Iss. 6 (762), pp. 46–48. EDN: QPLZTR.Королев К. П. Тележечные экипажи локомотивов для повышенных скоростей движения // Труды ВНИИЖТ. – 1962.– № 248. – 304 c.Korolev, K. P. Bogie underframes of locomotives for increased speeds [Telezhechnie ekipazhi lokomotivov dlya povyshennykh skorostei dvizheniya]. Trudy VNIIZhT, 1962, Iss. 248, 304 p.Беляев А. И. Динамические свойства тяговых приводов тепловозов и возможности их улучшения / дисс… докт. техн. наук. – М.: МИИТ, 1978. – 394 с.Belyaev, A. I. Dynamic properties of traction drives of diesel locomotives and the possibility of their improvement. D.Sc. (Eng) thesis [Dinamicheskie svoistva tyagovykh privodov teplovozov i vozmozhnosti ikh uluchsheniya. Diss… dokt.tekh.nauk]. Moscow, MIIT, 1978, 394 p.Гарг В. К., Дуккипати Р. В. Динамика подвижного состава. – М.: Транспорт. – 1988. – 391 с. ISBN 5-277-00226-X (рус.), ISBN 0-12-275950-8 (англ.).Garg, V. K., Dukkipati, R. V. Dynamics of railway vehicle systems. [Russian edition title: Dynamika podvizhnogo sostava]. Moscow, Transport publ., 1988, 391 p. ISBN 5-277-00226-X (рус.), ISBN 0-12-275950-8 (English).Гура Г. С. Качение тел с трением. Фреттинг. – Сочи: ООО «Полиграфический центр Дория», 2009. – 295 с. ISBN 978-5-94945-020-8.Gura, G. S. Rolling of bodies with friction. Fretting [Kachenie tel s treniem. Fretting]. Sochi, Doria Printing Centre LLC, 2009, 295 p. ISBN 978-5-94945-020-8.Новачук Я. А., Никитин Д. Н., Коблов Р. В., Тепляков А. Н. Новая парадигма кинематики «колесо-рельс» // Известия Транссиба. – 2014. – № 3 (19). – С. 24–31. EDN: SYLZDD.Novachuk, Ya. A., Nikitin, D. N., Koblov, R. V., Teplyakov, A. N. New paradigm of «wheel-rail» kinematics. Izvestia Transsiba, 2014, Iss. 3 (19), pp. 24–31. EDN: SYLZDD.Коблов Р. В., Егоров П. Е., Новачук Я. А. Новое прочтение механизма образования силы тяги локомотива // Мир транспорта. – 2016. – № 5 (66). – С. 6–18. DOI: https://doi.org/10.30932/1992-3252-2016-14-5-1.Koblov, R. V., Egorov, P. E., Novachuk, Y. A. New Perusal of Locomotive Traction Force Formation Mechanism. World of Transport and Transportation, 2016, Iss. 5 (66), pp. 6–18. DOI: https://doi.org/10.30932/1992-3252-2016-14-5-1.Novachuk, Iа., Koblov, R., Teplyakov, А., Egorov, P. Innovative Method of Determination of Speed of Interaction of Wheels with Rails. 15th International Scientific Conference «Procedia Engineering». St. Petersburg, 2016, Vol. 165, pp. 1503–1511. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.11.886.Novachuk, Iа., Koblov, R., Teplyakov, А., Egorov, P. Innovative Method of Determination of Speed of Interaction of Wheels with Rails. 15th International Scientific Conference «Procedia Engineering». St. Petersburg, 2016, Vol. 165, pp. 1503–1511. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.11.886.Митрохин А. Н. «Колесо-рельс»: Требуется более совершенная теория // Железнодорожный транспорт. – 1998. – № 7. – С. 41–44.Mitrokhin, A. N. «Wheel-rail»: A more advanced theory is required [«Koleso-rels»: Trebuetsya bolee sovershennaya teoriya]. Zheleznodorozhniy transport, 1998, Iss. 7, pp. 41–44.Новачук Я. А., Никитин Д. Н., Коблов Р. В. Кинематика взаимодействия «колесо-рельс» // Мир транспорта. – 2012. – № 4 (42). – С. 16–19. EDN: PFFKJP.Nova c huk, Ya. A., Nikitin, D. N., Koblov, R. V. Kinematics of Interaction between the Wheel and the Rail. World of Transport and Transportation, 2012, Iss. 4 (42), pp. 16–19. EDN: PFFKJP.Жуковский Н. Е. Кинематика, статика, динамика точки. – М.: Оборонгиз, 1939. – 403 с.Zhukovsky, N. E. Kinematics, statics, dynamics of a point [Kinematika, statika, dinamika tochki]. Moscow, Oborongiz publ., 1939, 403 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.