🗊Презентация Перспективная конструкция колесной пары вагонной тележки

Перспективная конструкция колесной пары вагонной тележки. Омск 2013

С момента появления железных дорог и по настоящее время на железнодорожном подвижном составе используется существующая стандартная колесная пара. Поэтому существует острая востребованность в новых высокоэффективных конструкциях колесных пар. Обоснованием этой потребности являются результаты анализа динамики основных технико-экономических показателей железнодорожных перевозок в РФ за последние 40 лет. Так, например: участковая скорость снизилась с 39 до 36 км/ч, осевая нагрузка возросла с 21 ÷ 23 до 23 ÷ 25 т, средний вес поезда с 3500 до 4300 т, скорость доставки грузов – с 12 до 8 км/ч, порожний пробег вагонов вырос с 20 до 42 %, максимальная пропускная способность двупутного участка находится на одном уровне – 120130 пар поездов в сутки. По оценке экспертов существующая транспортная инфраструктура уже с трудом справляется даже с сокращенными грузопотоками.

В настоящее время у ряда специалистов сформировалась мнение, что подсистема "колесо- рельс" исчерпала полностью свои резервы для дальнейшего повышения скорости движения и эффективности железнодорожных перевозок. Поэтому на повестку дня они ставят задачу строительства транспортной системы на магнитном подвешивании ("Маглев"), которая будет двигаться в трубе. Для снижения аэродинамического сопротивления движению специальной кабины планируется из трубы откачивать воздух. (Кабина, рассчитанная на шесть человек и движется в трубе со скоростью 1500км/ч). Но к этой транспортной системе больше вопросов к обеспечению безопасности движения и нахождению пассажиров в кабине, а также и в её экономической целесообразности

Для повышения технико-экономических показателей железнодорожных перевозок авторами разработана новая конструкция колесной пары, подробное описание которой представлено в работах. Основными особенностями новой конструкции колесной пары это реализация независимого вращения относительно друг - друга всех поверхностей колес, контактирующих с головками рельсов, а также подрессоривание бандажей.

Прототипы новой конструкции колеса

Кинематические схемы механических систем стандартной (а) и новой (б) конструкций колесных пар и рельсошпальной решетки

Траектории движения точек контактов поверхностей катания гибкого бандажа (К) и гребня (Б) без «забега»

Траектории движения точек контактов гребней колес (Б1) с боковой поверхностью головки рельса при наличии «забега» λгр.

Траектория оси рельсовой колеи: линии: 1 – по уровню (zП ); 2 – в плане (yП). Траектория движения стандартной колесной пары: линия 3 – y0= 0 мм. Траектории движения тележки с новой конструкцией колесных пар: при воздействии неровностей в плане: линии 4 – y 0 = 0 мм; 5 – y 0 = 6,0 мм ; при воздействии неровностей по уровню и в плане: линии: 6 – y 0 = 0 мм; 7 – y 0 = 0 мм; 8 – y 0 = 6,0 мм; 9 – при скорости движения V =50,0 м/с.

Положение колесных пар относительно оси рельсовой колеи по координате УКП :

Трение качения одиночного колеса по поверхности

Общие сведения о трении качения Согласно теории Рейнольдса [4], трение качения формируется за счет встречного микроскольжения материалов в плоскости вращения колеса на противоположных концах площадки контакта «колесо-рельс» аа´ и b´b которая, согласно теории Герца, имеет форму эллипса. В центре площадки контакта (а´ b´) действует трение "покоя» Общие сведения о трении качения Согласно теории Рейнольдса [4], трение качения формируется за счет встречного микроскольжения материалов в плоскости вращения колеса на противоположных концах площадки контакта «колесо-рельс» аа´ и b´b которая, согласно теории Герца, имеет форму эллипса. В центре площадки контакта (а´ b´) действует трение "покоя»

Трение скольжения

Общие сведения о трении скольжения Как известно, характеристика трения скольжения состоит из трех зон (рис. 1, [4]): в первой зоне при отсутствии относительного движения между двумя телами (ɛ=0 ) коэффициент трения скольжения имеет постоянное значение – это трение" покоя" (fп ); во второй зоне начинается относительное перемещение контактирующих тел и с ростом абсолютной скорости относительного скольжения (ɛ>0) коэффициент трения скольжения увеличивается от значения трения "покоя" (fп ) до максимального (fД max ) – эта зона, так называемого "трения движения" (fД max ). Максимальное значение общего коэффициента трения ( ) (критическая точка) равно сумме значений коэффициентов двух видов трения: fC max = fП max + fД max . Третья зона находится за критической точкой, основной особенностью которой является отрицательный наклон характеристики "трения движения" – это зона боксования.

Векторные диаграммы сил трения и абсолютных скоростей относительного проскальзывания в точке контакта колесо – рельс.

Зависимости сил сцепления колесной пары новой конструкции

Зависимость амплитуд ускорений колесной пары от скорости движения (при воздействии сочетаний неровностей в прямом участке рельсовой колеи)

Поперечные профили поверхностей катания и напряженное состояние металла стандартного и нового бандажей и рельсов.

Зависимость длины траектории (трактрисы) второй колесной пары тележки от величины зазора между гребнем и направляющим рельсом.

    Анализ уровня безопасности движения новой конструкции колесной пары Основной характеристикой любой конструкции подвижного состава является уровень безопасности движения, который зависит от многих факторов: продольная динамика поезда, состояние верхнего строения пути и подвижного состава и т.д. Одним из конечных результатов этой многофакторной цепи является определение устойчивости положения колесной пары в рельсовой колее, которая оценивается коэффициентом запаса устойчивости от накатывания гребня колеса на головку рельса – коэффициент Надаля. Вкатывание гребня колеса на поверхность катания рельса, имеет два вида условий: «необходимые» и «достаточные».

Безопасность движения по «необходимым» условиям обеспечивает больший запас за счет того, что колесо вообще не должно вкатываться гребнем на боковую поверхность головки рельса, при этом считается, что максимально допустимая скорость движения является заниженной. В рамках «достаточных» условий допускается частичное вкатывание гребня на боковую поверхность головки рельса, которое сопровождается отрывом поверхности катания колеса от поверхности рельса. При этом смещение колеса в плане в течение времени (t) не должно превышать максимально допустимого значения смещения в поперечном направлении ( ). «Достаточные» условия обеспечивают безопасность движения, однако, максимально допустимая скорость по условию вкатывания гребня на рельс может быть повышена, так как на поперечные перемещения колеса наложены менее жесткие ограничения.

Для повышения объективности расчетов уровня безопасности движения новой конструкции колесной пары расчеты, как и в других случаях, выполнены для двух конструкций колесных пар: стандартной и новой. Расчетные схемы представлены на рисунках 1 . При составлении расчетных схем и уравнений приняты следующие упрощения: Для повышения объективности расчетов уровня безопасности движения новой конструкции колесной пары расчеты, как и в других случаях, выполнены для двух конструкций колесных пар: стандартной и новой. Расчетные схемы представлены на рисунках 1 . При составлении расчетных схем и уравнений приняты следующие упрощения: – действующие на колесо нагрузки в вертикальном и горизонтально-поперечном направлениях приняты постоянными и равными для обоих вариантов конструкций колесных пар; – не учитываются динамические характеристики верхнего строения экипажа и пути и неровности на поверхностях катания колес и рельсов;

– коэффициент трения (μ) в точках контакта гребней и головок рельсов принят одинаковым для обоих конструкций колесных пар (μ = 0,25); величина вертикальной осевой нагрузки принята постоянной и равной величине 250 кН; – площадь в месте контактирования гребня и рельса имеет вид точки. Поскольку все геометрические параметры для двух вариантов конструкций колесных пар приняты одинаковыми, то для них величина «забега» точки контакта ( λ) при набегании гребня на головку рельса определяется по уравнению:

Зависимость для коэффициента устойчивости по Надалю получена эмпирическим методом и имеет следующий вид: Зависимость для коэффициента устойчивости по Надалю получена эмпирическим методом и имеет следующий вид: (2), где – вертикальная нагрузка колеса, Н; – рамная сила, действующая на колесную пару, Н.

Безопасность движения от накатывание гребня на поверхность катания рельса (коэффициент Надаля) а – от коэффициента трения (μ); б – от угла наклона боковой поверхности гребня (θ). Линии: 1 – стандартная колесная пара; 2 – новая конструкция колесной пары; 3 – предел зоны безопасности

Траектории оси рельсовой колеи и центра масс тележек в процессе движения

Зависимости удельных затрат энергии транспортных систем на перевозку груза от скорости движения

По проекту «Гибкое колесо» получено восемь патентов на изобретения + два положительных решений

Принципиально новая конструкция - независимое вращение всех поверхностей, контактирующих с рельсом, и обрессоренный бандаж сопоставима по динамике с транспортными системами на магнитном подвешивании и воздушной подушке (за счет уменьшения в30 50 раз необрессоренной массы колесной пары). Принципиально новая конструкция - независимое вращение всех поверхностей, контактирующих с рельсом, и обрессоренный бандаж сопоставима по динамике с транспортными системами на магнитном подвешивании и воздушной подушке (за счет уменьшения в30 50 раз необрессоренной массы колесной пары). на 30  40% увеличится скорость поступательного движения; на 20  25% повысится провозная способность железных дорог; уровень безопасности движения поездов повысится на 50  60%; на существующей конструкции верхнего строения ж.-д. пути будет реализовано смешанное движение: высокоскоростное, скоростное пассажирское, грузовое и обычное движение; колесная пара новой конструкции не имеет аналогов в мире и является базовой моделью для новых более совершенных модификаций колесной пары

Сравнительные характеристики технических решений

Проект состоит из 3-х этапов: Проект состоит из 3-х этапов: Изготовление опытного образца и сертификация опытного образца. II. Изготовление и сертификация установочной партии. III. Серийное производство колесных пар для грузовых вагонов. Объем рынка в РФ – 570 тысяч штук в год

Потребность в инвестициях: Потребность в инвестициях: Расчётные инвестиции в I этап проекта – 15,748 млн. руб. Инвестиции во II этап проекта – 61,742 млн. руб. (поиск инвестора или стратегического партнера). Общие инвестиции в проект – 83,896 млн. рублей. Срок проекта – 3,7 лет. Проект находится на стадии подготовки к созданию опытного образца

Структура затрат I этапа Срок реализации I этапа проекта (производство и сертификация опытного образца – 4-х колесных пар) – 20 месяцев. Для разработки КТД планируется привлечь сотрудников ОмГУПС, НИИ ТКД, проведены предварительные переговоры с ВНИКТИ

Существующие проблемы: Проблема – необходимость снижения транспортных издержек при сохранении безопасности движения. Общемировые тенденции – решение проблемы за счет: увеличения ресурса службы колесной пары без обслуживания до 1,5 млн. км; повышения грузоподъемности за счет роста нагрузки на ось до 28 т; увеличения веса поезда до 20 000 – 40 000 т; увеличение скорости до 140 км/ч; доля мирового рынка тяжелонагруженных перевозок – 9 %.

Характеристика современного состояния грузовых ж/д перевозок в России: Характеристика современного состояния грузовых ж/д перевозок в России: Высокие эксплуатационные расходы на содержание рельсового хозяйства. Недостаточная провозная способность ж/д транспорта (на уровне 1988 г.). Пропускные возможности 30 % ж/д, обеспечивающих 80 % грузовых перевозок исчерпаны. Исчерпание возможности экстенсивного роста (инфраструктурные ограничения роста количества вагонов). Отставание на 30-40 % от мировых показателей по весу и энергоемкости грузоперевозок. Низкие скорости доставки грузов (9 км/ч).

Российские тенденции –перевооружение производства крупнейших вагоностроительных заводов и использование тележек американской конструкции (без изменения КП) , что дает: увеличение ресурса колесной пары без обслуживания до 0,5 млн. км; увеличение нагрузки на ось с 23 до 25 тонн (в перспективе до 27 тонн); увеличение веса поезда до 8 000 - 9 000 тонн (в перспективе до 12 000 тонн); увеличение скорости до 120 км/час.

Прогноз производства колесных пар в РФ в 2015 году Прогноз роста производства колесных пар в РФ в 2015 году (к 2011 году) на 65%

Объем рынка и потенциальные потребители Промышленный железнодорожный транспорт без права выхода на пути ОАО РЖД (карьеры и металлургические предприятия). Городской рельсовый транспорт (трамвай). Метрополитен и скоростной трамвай. Крупнейшие операторы вагонного рынка (магистральные вагоны не в собственности ОАО РЖД). Узкоколейные дороги для лесоразработок.

Узкоколейная железная дорога для вывоза древесины

- ООО «Уральское конструкторское бюро вагоностроения» – включены в программу НИОКР. - ООО «Уральское конструкторское бюро вагоностроения» – включены в программу НИОКР. «Трансмашхолдинг» . Московский метрополитен (проявлен интерес) . Направлено предложение о сотрудничестве ОАО Северсталь (нет интереса). «Новочеркасский электровозостроительный завод» и Предприятия Украины. Планируется направить предложение о сотрудничестве СУЭК.

Команда проекта Шилер В.В. – автор инновационной разработки к.т.н., доцент кафедры «Подвижной состав электрических железнодорожных путей» ОмГУПС; имеет 15 патентов на изобретения; руководил натурными испытаниями подвижного состава в условиях Сибири и Крайнего Севера и макетными испытаниями конструкции колесных пар и тележек. Шилер А.В. к.т.н., заместитель директора института АТИТ, доцент кафедры «Автоматика и системы управления» ОмГУПС; имеет опыт работы в бизнес-структурах, организации коммерческой деятельности ; участвовал в макетных испытаниях конструкций колесных пар и тележек. Одиноков А.С. зам. директора по техническим вопросам ООО «ВРК СТК»; имеет опыт работы на руководящих должностях в Западно-Сибирском отделении ж/д и заместителя генерального директора АВЗ; обладает уникальными компетенциями в области производства подвижного состава; Имеет патент на изобретение и патент на полезную модель.

Достижения команды проекта Получено 8 патентов на изобретение по данному проекту. Проведены испытания на действующем макете. Проведено имитационное моделирование на компьютере. Подписаны рамочные соглашения о сотрудничестве с ОАО ВНИКТИ и ОАО ВНИИЖТ по сертификации. Получено письмо от ОАО РЖД о заинтересованности в реализации проекта после сертификации опытного образца. Оформляются документы на международную интеллектуальную собственность. Достигнуты договоренности об участии в реализации проекта омских предприятий: ООО «Опытно-механический завод центра «Транспорт», НПО, «Динамика», «Прогресс», «КБТМ». Получено предварительное согласие на аренду производст-венных цехов от Дирекции по ремонту локомотивов ЗапСиб ж-д.

Основные экономические показатели проекта «Гибкое колесо»

Сокращение энергетических затрат (в 3 раза). Сокращение энергетических затрат (в 3 раза). Уменьшение износа верхнего пути (в 3 раза). Значительное сокращение потребного количества подвижного состава и эксплуатационных затрат. Увеличение на порядок провозной способности РЖД. Существенная экономия капитальных затрат на внедрение новой высокоскоростной транспортной системы, которая будет получена за счет использования существующего верхнего строения ж.-д. пути (до 80 % при увеличении провозной способности в два раза).

Создание инвариантной, квазиинерционной, облегченной и с гарантированной безопасностью движения тележки; Создание инвариантной, квазиинерционной, облегченной и с гарантированной безопасностью движения тележки; Существенное сокращение порожнего пробега. Реализация скоростной перевалки грузов. Создание подвижного состава адаптированного к различным значениям ширины рельсовой колеи. Создание подвижного состава с гарантированной безопасностью движения. Организация заводской системы ремонта подвижного состава с полным отказом от деповского ремонта. Предлагаемая «Высокоскоростная гибкая транспортная система» по нашим расчетам, опережает зарубежные технологии перевозок на 20 – 30 лет.

Спасибо за внимание! Спасибо за внимание!