Можливості підвищення безпеки руху рейкових екіпажів з колесами, що незалежно обертаються
Євген Михайлов, Станіслав Семенов, Ян Діжо, Мирослав БлатницькийОдним із перспективних шляхів для досягнення високої швидкості та плавності ходу рейкових екіпажів при стійкому русі в прямих ділянках колії та покращення характеристик вписування екіпажів у криві є використання в їх ходових частинах коліс, що незалежно обертаються. Такі ходові частини набувають вже достатньо широкого розповсюдження, наприклад, в екіпажах міського рейкового транспорту. Але колеса, що незалежно обертаються, можуть обертатися в колісній парі навколо спільної осі з різними кутовими швидкостями. З цього випливає, що при їх русі не виникають поздовжні сили крипа, які формують момент, що управляє, і центрують колісну пару в рейковій колії. Це може призвести до підвищення кутів набігання коліс на рейки, збільшення бічних сил та пришвидшення зношування коліс і рейок. А це підвищує схильність екіпажів з колесами, що незалежно обертаються, до сходу з рейки по вкочуванню гребеня на головку рейки.
Накопичений світовий досвід експлуатації подібних транспортних засобів підтверджує це. Для подолання зазначених недоліків коліс, що незалежно обертаються, запропоновано низку різноманітних технічних рішень. Деякі з них стосуються забезпечення заданої пружно-дисипативної характеристики торсійного зчленування коліс у колісній парі. Перспективним є напрям вдосконалення характеристик зв’язків колісних пар із візком і візків із кузовом екіпажу, використання мехатронних систем контролю положення колісних пар у горизонтальній площині для їх радіальної установки у криволінійних ділянках колії. У цій роботі приділена увага питанням використання в конструкції незалежно обертових коліс перспективної конструктивної схеми, що допускає незалежне обертання опорної поверхні колеса та його напрямної поверхні (гребеня), зокрема і з позицій безпеки руху по вкочуванню гребеня на головку рейки. Досліджено вплив перспективної конструктивної схеми колеса порівняно з традиційною конструктивною схемою колеса на безпеку руху по сходу з рейки.
Проаналізовано особливості розподілу сил тертя в гребеневому контакті під час руху по рейкам коліс обох конструктивних схем. Для колеса традиційної конструктивної схеми модуль та напрямок вектора сили тертя в гребеневому контакті однозначно визначаються геометричними характеристиками контактування колеса і рейки та кутовою швидкістю обертання колеса. Водночас при русі колеса перспективної конструктивної схеми напрям і модуль вектора сили тертя гребеня по рейці залежать ще й від співвідношення кутових швидкостей обертання опорної поверхні колеса і його напрямної поверхні (гребеня) навколо загальної осі. Отримані результати дають змогу зробити висновок про доцільність використання перспективної конструктивної схеми в колесах, що незалежно обертаються, для підвищення безпеки руху рейкових транспортних засобів
Використані джерела
[1] Dukkipati, R.V., Swamy, S.N., & Osman, M.O. (1992). Independently rotating wheel systems for railway vehicles – A state-of-the-art review. Vehicle System Dynamics, 21(5), 297-330. doi: 10.1080/00423119208969013.
[2] Liang, B., & Iwnicki, S.D. (2007). An experimental study of independently rotating wheels for railway vehicles. In IEEE Proc. international conference on mechatronics and automation (pp. 2282-2286). Harbin: IEEE. doi: 10.1109/ICMA.2007.4303908.
[3]. Zaazaa, K.E., & Whitten, B. (2007). Effect of independently rotating wheels on the dynamic performance of railroad vehicles. In Рroceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition (Vol. 16, pp. 467-477). Washington: ASME. doi: 10.1115/IMECE2007-43645.
[4] Farhat, N., Ward, C., Shaebi, O., Crosbee, D., Stow, J., Wang, R., Goodall, R., & Whitley, M. (2020). Controlling a rail vehicle with independently-rotating wheels. In: M. Klomp, F. Bruzelius, J. Nielsen & A. Hillemyr (Eds.), Advances in dynamics of vehicles on roads and tracks. IAVSD 2019. Lecture notes in mechanical engineering (pp. 31-39). Cham: Springer. doi: 10.1007/978-3-030-38077-9_4.
[5] Bracciali, A. (2016). Railway wheelsets: History, research and developments. International Journal of Railway Technology, 5(1), 23-52. doi: 10.4203/ijrt.5.1.2.
[6] Goodall, R., & Li, H. (2000). Solid axle and independently-rotating railway wheelsets – a control engineering assessment of stability. Vehicle System Dynamics, 33(1), 57-67. doi: 10.1076/0042-3114(200001)33:1;1-5;FT057.
[7] Bracciali, A., & Megna, G. (2016). Contact mechanics issues of a vehicle equipped with partially independently rotating wheelsets. Wear, 366-367, 233-240. doi: 10.1016/j.wear.2016.03.037.
[8] Perez, J., Busturia, J.M., Mei, T.X., & Vinolas, J. (2004). Combined active steering and traction for mechatronic bogie vehicles with independently rotating wheels. Annual Reviews in Control, 28, 207-217. doi: 10.1016/j.arcontrol.2004.02.004.
[9] Kapitsa, M., Mikhailov, E., Kliuiev, S., Semenov, S., & Kovtanets, M. (2019). Study of rail vehicles movement characteristics improvement in curves using fuzzy logic mechatronic systems. MATEC Web of Conferences, 294, article number 03019.doi: 10.1051/matecconf/201929403019.
[10] Mikhailov, E., Gerlici, J., Kliuiev, S., Semenov, S., Lack, T., & Kravchenko, K. (2019). Mechatronic system of control position of wheel pairs by railway vehicles in the rail track. AIP Conference Proceedings, 2198, article number 020009. doi: 10.1063/1.5140870.
[11] Fu, B., Giossi, R.L., Persson, R., Stichel, S., Bruni, S., & Goodall, R. (2020). Active suspension in railway vehicles: a literature survey. Railway Engineering Science, 28, 3-35. doi: 10.1007/s40534-020-00207-w.
[12] Upadhyay, R. (2000). Reduced wear wheels and railshyay. International Railway Journal, 7, 33-34.
[13] Wilson, N., Shu, X., & Kramp, K. (2008). Effects of independently rolling wheels on flange climb derailment. In ASME 2004 international mechanical engineering congress and exposition: IMECE2004-60293 (pp. 21-27). Anaheim: ASME. doi: 10.1115/IMECE2004-60293.
[14] Opala, M. (2016). Study of the derailment safety index Y/Q of the low-floor tram bogies with different types of guidance of independently rotating wheels. Archives of Transport, 38(2), 39-47. doi: 10.5604/08669546.1218792.
[15] Shen, G., Zhou, J., & Ren, L. (2006). Enhancing the resistance to derailment and side-wear for a tramway vehicle with independently rotating wheels. Vehicle System Dynamics, 44(1), 641-651. doi: 10.1080/00423110600882738.
[16] Wu H., & Wilson N. (2006). Railway vehicle derailment and prevention. In S. Inwicki (Ed.), Handbook of railway vehicle dynamics (pp. 209-238). London: Taylor & Francis.
[17] Xu, J., Wang, J., Wang, P., Chen, J., Gao, Y., Chen, R., & Xie, K. (2019). Study on the derailment behaviour of a railway wheelset with solid axles in a railway turnout. Vehicle System Dynamics, 58(1), 123-143. doi: 10.1080/00423114.2019.1566558.
[18] Mikhailov, E., Semenov, S., Sapronova, S., & Tkachenko, V. (2020). On the issue of wheel flange sliding along the rail. In K. Gopalakrishnan, O. Prentkovskis, I. Jackiva & R. Junevičius (Eds.), TRANSBALTICA XI: Transportation science and technology. Lecture notes in intelligent transportation and infrastructure (pp. 377-385). Cham: Springer. doi: 10.1007/978-3-030-38666-5_40.
[19] Dukkipati, R. (2000). Vehicle dynamics. New Delhi: Narosa Publishing House.
[20] Mikhailov, E., Semenov, S., Tkachenko, V., & Sapronova, S. (2018). Reduction of kinematic resistance to movement of the railway vehicles.In Horizons of railway transport 2018: Proceeding of 10th international scientific conference (Vol. 235, article number 00033). doi: /10.1051/matecconf/201823500033.
[21] Mikhailov, E., Semenov, S., Dižo, J., & Kravchenko, K. (2019). Research of possibilities of reducing the driving resistance of a railway vehicle by means of the wheel construction improvement. Transportation Research Procedia, 40, 831-838. doi: 10.1016/j.trpro.2019.07.117.
[22] Nadal, M.J. (1908). Locomotives a vapeur. Collection encyclopedie scientifique, biblioteque de mecanique appliquee et genie (Vol. 186). Paris: Octave DOIN & Fils.