Мероприятия по снижению разгрузки, проката и износа гребней колес локомотивов

 МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА
 РУТ (МИИТ)

Факультет «Транспортные средства»

Кафедра «Тяговый подвижной состав»

ДОПУСТИТЬ   К   ЗАЩИТЕ:
 
Заведующий кафедрой _______Космодамианский А.С.

«_____»________________ 2018 г.
 



ДИПЛОМНЫЙ   ПРОЕКТ

Специальность: 23.05.03 «Подвижной состав железных дорог»
Специализация: «Электрический транспорт железных дорог»

на тему: «Мероприятия по снижению разгрузки, проката и износа гребней колес локомотивов. Провести исследование плотностей распределения вероятности прокатов и износов гребней колес локомотивов при заданном пробеге соответствующих условиям эксплуатации локомотивов в определенном локомотивном депо»



Дипломник		Леонтьев Роман Алексеевич
					подпись				Ф.И.О.
Руководитель		ЦкипуришвилиВалерий Багратович
       подпись				Ф.И.О.
Консультанты:	                               Задорожная Анна Николаевна
					подпись				Ф.И.О.
			Медведева Вера Михайловна
					подпись				Ф.И.О.
Нормоконтроль	         ________________________________________
					подпись				Ф.И.О.
НормоконтрольБаташов Сергей Иванович
электронной версии		подпись				Ф.И.О.





Москва 2018

      
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
"РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)"

Факультет  __Транспортные средства___ 
Кафедра __Тяговый подвижной состав___      
Специальность ___Электрический транспорт железных дорог____		
УТВЕРЖДАЮ
 Заведующий кафедрой
  _______________
    «    »    __________      2018  г. 
     
    ЗАДАНИЕ
    по дипломному проектированию студенту
Леонтьеву Роману Алексеевичу

шифр1240-пПСс-0607
     
1. Тема проекта: «Мероприятия по снижению разгрузки, проката и износа гребней колес локомотивов. Провести исследование плотностей распределения вероятности прокатов и износов гребней колес локомотивов при заданном пробеге соответствующих условиям эксплуатации локомотивов в определенном локомотивном депо»
утверждена приказом РУТ (МИИТ) от «     » ______________ 2018 г.  №  
2.  Срок сдачи студентом законченного проекта  (работы)  _________________
3.  Исходные данные к проекту 

    ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ВЛ11
    ПЛАН УЧАСТКА ДЛЯ НАКАТКИ ОСЕЙ КОЛЕСНЫХ ПАР РОЛИКАМИ
    ОТЧЕТЫ О ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ДЕПО 
4.  Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов)   
ВВЕДЕНИЕ
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОЛЕСАХ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
2 АНАЛИЗ ПРИЧИН ИЗНОСА КОЛЕС КОЛЕСНЫХ ПАР ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
3 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ
4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ НЕПРЕРЫВНОЙ СЛУЧАЙНО ВЕЛИЧИНЫ ПРОКАТА КОЛЕСА И ИЗНОСА ГРЕБНЕЙ КОЛЕСА ЛОКОМОТИВОВ
5. МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ПРОКАТА И ИЗНОСА ГРЕБНЕЙ КОЛЕС ЛОКОМОТИВОВ
6. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЕКТА
7 ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ОХРАНА ТРУДА
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
5.  Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей)  

 КОНСТРУКЦИЯ КОЛЕС КОЛЕСНЫХ ПАР
 АНАЛИЗ НЕИСПРАВНОСТЕЙ КОЛЕС КОЛЕСНЫХ ПАР
 ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСА ГРЕБНЕЙ И ПРОКАТА КОЛЕС
 МЕТОДЫ БОРЬБЫ С ИЗНОСОМ ГРЕБНЕЙ И ПРОКАТОМ КОЛЕС
 МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ  ИЗНОСА ГРЕБНЕЙ И ПРОКАТА КОЛЕС
 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЕКТА
Консультации по проекту (с указанием относящихся к ним разделов проекта/ работы) .

Раздел
Консультант
Подпись,  дата

1-6


Охрана труда


Экономический
Баташов Сергей Иванович, к.т.н., доцент кафедры Тяговый подвижной состав РУТ – МИИТ
Медведева Вера Михайловна, к.т.н., доц. кафедры Техносферная безопасность РУТ-МИИТ
Задорожная Анна Николаевна, к.э.н., доц. кафедры Экономика, финансы и управление на транспорте РУТ – МИИТ
задание выдал
задание принял




     
7.  Дата выдачи задания ___________________________________________________________   
     
  Руководитель  проекта _______________________________________________
                                                                                                                                                                        (подпись)   
     
Задание принял к исполнению __________________________________________ 
                                                                                                                                                                         (подпись)
     

     
      К А Л Е Н Д А Р Н Ы Й П Л А Н
№ п/п
Перечень подлежащих разработке вопросов
Срок выполнения этапов проекта
Примечание

ВВЕДЕНИЕ


1
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОЛЕСАХ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА


2
2 АНАЛИЗ ПРИЧИН ИЗНОСА КОЛЕС КОЛЕСНЫХ ПАР ПОДВИЖНОГО СОСТАВА


3
3 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ


4
4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ НЕПРЕРЫВНОЙ СЛУЧАЙНО ВЕЛИЧИНЫ ПРОКАТА КОЛЕСА И ИЗНОСА ГРЕБНЕЙ КОЛЕСА ЛОКОМОТИВОВ


5
5. МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ПРОКАТА И ИЗНОСА ГРЕБНЕЙ КОЛЕС ЛОКОМОТИВОВ


6
6. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЕКТА


7
7 ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ОХРАНА ТРУДА


8
ВВЕДЕНИЕ


     



АННОТАЦИЯ

Дипломныйпроектнатему«Мероприятия по снижению разгрузки, проката и износа гребней колес локомотивов. Провести исследование плотностей распределения вероятности прокатов и износов гребней колес локомотивов при заданном пробеге соответствующих условиям эксплуатации локомотивов в определенном локомотивном депо».
Дипломнаяработасодержитпояснительнуюзапискуобъемом 97страниц, включая 28 рисунков, 10 таблиц, список используемыхисточниковиз 17 наименований, 8графических приложений формата А1.
В первой главе рассматриваются общие сведения о колесах колесных пар.
Во второй главе проводится анализ причин износа колес колесных пар подвижного состава.
В третьей рассматриваются основные положения теории вероятности и математической статистики.
В четвертой главе произведен расчет плотности распределения износа гребней и проката колес по 6 локомотивам.
В пятой главе даны рекомендации мероприятий по снижению разгрузки, проката и износа гребней колес локомотивов.
В шестой главедана экономическая оценка проекта.
Седьмая глава посвящена промышленной безопасности и охране труда.




      ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ	8
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОЛЕСАХ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА	10
1.1 Конструкция колес тягового подвижного состава	10
1.2 Особенности взаимодействия колесной пары с рельсом в кривой	12
2 АНАЛИЗ ПРИЧИН ИЗНОСА КОЛЕС КОЛЕСНЫХ ПАР ПОДВИЖНОГО СОСТАВА	19
2.1 Виды износа трибоконтакта «колесо-рельс»	19
2.2 Неисправности колес, с которыми колесные пары не допускаются к эксплуатации	21
2.3 Осмотр и освидетельствование колес  колесных пар	23
2.4 Анализ причин износа колес колесных пар подвижного состава	24
3 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ	32
3.1 Основные понятия теории вероятностей	32
3.1.1 Классическое определение вероятности	32
3.2 Случайные величины	33
3.3 Функция распределения вероятностей случайной величины	35
3.5 Элементы математической статистики. выборочный метод	37
3.5.1 Элементы математической статистики	37
3.5.2 Генеральная и выборочная совокупности	38
3.5.3 Повторная и бесповторная выборки. Репрезентативная выборка	39
3.5.4 Способы отбора	40
4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ НЕПРЕРЫВНОЙ СЛУЧАЙНО ВЕЛИЧИНЫ ПРОКАТА КОЛЕСА И ИЗНОСА ГРЕБНЕЙ КОЛЕСА ЛОКОМОТИВОВ	42
5. Мероприятия по снижению проката и износа гребней колес локомотивов	58
5.1. Износ бандажей и рельсов в кривых и способы его снижения	58
5.2. Особенности конструкций механической части локомотивов, улучшающие вписывание в кривые	66
5.3. Снижение перераспределения статических нагрузок между отдельными колесами, колесными парами и тележками	76
5.4 Машины для смазки трибокнотакта рельс-колесо	87
5.4.1 Вагон-рельсосмазыватель	87
5.4.2 Передвижной рельсосмазыватель	89
5.4.3 Рельсосмазывательная машина	90
5.4.4 Стационарный путевой рельсосмазыватель CПР-02-02	91
5.4.5. Бортовой гребнесмазыватель	94
5.5 Методы упрочнения колесных пар	97
5.5.1. Установка упрочнения колесных пар (УУКП)	97
5.5.2. Установка магнитно-плазменного упрочнения гребней локомотивных колесных пар УМПУ-2.	99
6. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЕКТА	103
7 ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ОХРАНА ТРУДА	112
7.1 Общие требования к безопасности	112
7.2 Пожарная безопасность	113
7.3 Меры безопасности на участке упрочнения колес	116
7.4 Расчет заземления для стационарной установки УМПУ-2 для магнитоплазменного упрочнения гребней	121
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	125
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ	126



ВВЕДЕНИЕ
Одной из основных проблем железнодорожного транспорта является обеспечение надежности всех элементов подвижного состава и пути. Наиболее напряженным узлом трения является пара «колесо-рельс», поскольку взаимодействие этих деталей одновременно происходит как по поверхностям катания, так и между гребнем колеса и боковой поверхностью рельса.
Если раньше интенсивный износ рельсов и колесных пар наблюдался на горных перевальных участках с затяжными подъемами и спусками, то в последние годы он стал распространенным явлением по всей сети, в том числе и на равнинных железных дорогах.
Чтобы решить задачи снижения интенсивности износа гребней колесных пар подвижного состава и рельсов, необходимы новые научные исследования. Одним из направлений должна стать разработка комплекса мероприятий, позволяющих, исходя из конкретных условий эксплуатации, определить и устранить причины износа колеса и рельса.
Кроме того, на скорость изнашивания колеса и рельса влияют: действующая нагрузка (контактное давление колеса на рельс), температура (контактная), вид и режим движения локомотива, воздействие окружающей среды, физико-химическая модификация поверхностей в процессе трения и износа, свойства смазочных материалов и методы смазывания. При движении поезда рельсы испытывают знакопеременные изгибающие напряжения, достигающие 240 МПа, и высокие удельные давления - 2500 МПа. На кривых участках пути радиусом от 350 м проскальзывание колес составляет 2-3 % [2, 4].
Постоянное, систематическое наблюдение износа колесных пар и рельсов, анализ всех его причин помогут определить основные меры, которые необходимо предпринять для уменьшения износа.
Анализ износа гребней и проката колесных пар осуществляется на основе теории вероятности и математической статистики.
Методы теории вероятностей широко применяются в различных отраслях естествознания и техники: в теории надежности, теории массового обслуживания, в теоретической физике, геодезии, астрономии, теории стрельбы, теории ошибок наблюдений, теории автоматического управления, общей теории связи и во многих других теоретических и прикладных науках. Теория вероятностей служит также для обоснования математической и прикладной статистики, которая в свою очередь используется при планировании и организации производства, при анализе технологических процессов, предупредительном и приемочном контроле качества продукции и для многих других целей.
В последние годы методы теории вероятностей все шире и шире проникают в различные области науки и техники, способствуя их прогрессу.
Краткая историческая справка. Первые работы, в которых зарождались основные понятия теории вероятностей, представляли собой попытки создания теории азартных игр (Кардано, Гюйгенс, Паскаль, Ферма и другие в XVI-XVII вв.).
Следующий этап развития теории вероятностей связан с именем Якоба Бернулли (1654-1705). Доказанная им теорема, получившая впоследствии название «Закона больших чисел», была первым теоретическим обоснованием накопленных ранее фактов.
Новый, наиболее плодотворный период связан с именами П. Л. Чебышева (1821-1894) и его учеников А. А.Маркова (1856-1922) и A.M. Ляпунова (1857-1918). В этот период теория вероятностей становится стройной математической наукой. Ее последующее развитие обязано в первую очередь русским и советским математикам (С. Н. Бериштейн, В. И. Романовский, А. Н. Колмогоров, А. Я. Хинчин, Б. В. Гнеденко, Н. В. Смирнов и др.).
Целью дипломной работы является разработкамероприятий по снижению разгрузки,проката и износа гребней колес локомотивов.


1ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОЛЕСАХ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
1.1 Конструкция колес тягового подвижного состава
Колёса локомотива могут быть цельнокатаными (безбандажными) и составными (бандажными). Диаметр колёс локомотива 1050 мм для маневровых локомотивов и 1250 мм для магистральных.
Бандажное колесо (рис. 1.1) состоит из четырёх частей: ступицы; колесного центра; съемного бандажа, имеющего все размеры обода; укрепляющего бандаж предохранительного кольца.


Рисунок 1.1 – Конструкция бандажного колеса

Колесные центры могут быть катанные, литые, кованые, штампованные.
Бандажи прокатываются из специальной бандажной стали. Новым бандажам в процессе изготовления после механической обработки придается определенная форма наружной поверхности - поверхности катания, имеющей важное значение для рационального взаимодействия колеса и рельсового пути. Стандартный профиль (сечение) бандажа (рис. 1.2) состоит из гребня а и двух конических поверхностей: основной-с конусностью 1:10 (уклон 1:20) и боковой - с конусностью 1:3,5 (уклон- 1:7), а также торцовой фаски под углом 45°.
Гребень (реборда) направляет движение колеса по рельсовой колее и предохраняет колесную пару от схода с рельсов.
Конусность поверхности катания способствует центрированию колесной пары в рельсовой колее и облегчает прохождение кривых участков пути. Колесо, бегущее по наружному рельсу, катится по нему окружностью большего диаметра, чем внутреннее колесо, и, следовательно, проходит несколько больший путь по дуге большего радиуса. В результате колесная пара устанавливается при движении в кривой по ее радиусу, что способствует движению без проскальзывания и повышенного износа. Конусность внешней части бандажа (конусность 1:3,5) и фаска облегчают прохождение стрелочных переводов.


Рисунок 1.2 - п?ро?ф?и?ль б?а?н?д?а?ж?а (обо?д?а) ко?лес?а по ГОСТ 11018 с г?реб?не?м то?л?щ?и?но?й 33 м?м д?л?я ло?ко?мот?и?во?в

Бандаж является наиболее изнашиваемой частью колесной пары. Основным видом его износа является прокат поверхности катания, т. е. потеря правильной формы ее профиля, а также износ (подрез) гребня.
В связи с коничностью поверхности катания колеса его диаметр и толщину бандажа, а также и величину проката измеряют в условной средней плоскости - по так называемому кругу катания - на расстоянии 70 мм от внутренней грани бандажа. Расстояние между кругами катания двух колес составляет 1580 мм (с допусками +1,-3 мм).
По мере износа и достижения предельных значений проката и толщины гребня колесные пары подвергаются обточке бандажей, при которой восстанавливается их первоначальный профиль. При этом, естественно, уменьшается толщина бандажей и диаметр круга катания колес. Предельные нормы износа и толщины бандажей установлены ПТЭ. Достигшие предельной толщины бандажи заменяются новыми, что продляет срок службы всей колесной пары
На маневровых тепловозах ТГМЗА, поездных ТГ16 и дизель-поездах ДР1 колесные пары имеют безбандажные цельнокатаные колеса, поверхность катания которых составляет одно целое с колесным центром. Такая конструкция позволяет уменьшить массу колесной пары и снизить трудоемкость ее изготовления. Однако по достижении предельной толщины обода такая колесная пара должна сниматься с эксплуатации.

1.2 Особенности взаимодействия колесной пары с рельсом в кривой
При движении поездов в кривых и в прямых участках пути происходит трение гребней бандажей колесных пар, в точке контакта с боковыми гранями наружных рельсов (рис. 1.3). Трение приводит к износу гребней и рельсов, что создает угрозу безопасности движения, увеличивает сопротивление движению и затраты на тягу, и при этом увеличивается рост расходов на ремонт колесных пар.
Для трибоконтакта «колесо-рельс» характерна эксплуатация в экстремальных условиях (высокие значения контактных давлений Р =2,5 ГПа и температур ТК =1000 °С при скоростях скольжения vCK=0,1 - 3 м/с) [10, 14], а одним из наиболее опасных последствий является схватывание, приводящее к заеданию механизма [10, 15].
При движении по рельсовому пути колесные пары выполняют функции передачи силы тяги, опирания и направления экипажа, а также обеспечения требуемого уровня ускорения при разгоне и замедления при торможении. Все эти функции реализуются в зоне комбинированного фрикционно-антифрикционного контакта колеса с рельсом и оказывают существенное влияние, как на работу всего локомотива, так и на безопасность движения в целом. С учетом этого были проанализированы особенности механизма взаимодействия и процесса изнашивания фрикционной системы подвижного состава «колесо-рельс».


Рисунок 1.3 - Схема сил, действующая на железнодорожный экипаж в кривой в положении максимального перекоса.

При движении экипажа в прямом участке пути траектория его движения носит волнообразный характер из-за возмущающих сил инерции, дефектов пути, наличия зазоров в экипаже и в буксах, неуравновешенных масс и от того, что равнодействующая сила тяги не лежит в одной плоскости с силой сопротивления [6, 7]. Это волнообразное движение, близкое к синусоидальному, вызывает удар реборд колес о рельсы, величина которогобудет пропорциональна скорости движения экипажа и углу набегания колес на рельс. Отсюда следует, что при движении по прямому участку пути для снижения удара зазор между ребордой и рельсом должен быть, возможно, меньшим, а база экипажа - большей.
При движении экипажа в кривом участке пути радиуса R происходит набегание колеса на рельс под некоторым положительным углом ?, т. е. гребень стремится пересечь рельс (рис. 1.4). Это приводит к тому, что мгновенная точка касания С колеса с головкой рельса будет находиться сзади точки контакта гребня А с боковой гранью головки рельса на расстоянии L, называемом предварением касания и составляющем от 15-18 ммдо 40-50 мм . ТочкаАлежит на расстоянии hrkот поверхности катания рельсовой головки, где hrk- глубина касания гребня (6-10 мм [16]).
При значительной величине горизонтальной силы колесо может приподняться и катиться гребнем по боковой грани головки рельса и, таким образом, будет иметь опору в одной точке (рис. 1.5).

Рисунок 1.4 -. Движение экипажа в кривой пути (а) и набегание колеса на рельс (б)

В этом случае возможнопереползание реборды колеса через рельс. Безопасность движения по кривой оценивается коэффициентом [12]:
		(1.1)
где Q - статическая нагрузка.
При двухточечном контакте в точкеАбудет иметь место скольжение гребня по боковой грани головки рельса. Принимаем точкуСза мгновенный центр вращения, скорость скольжения VСК будет равняться:
, 					(1.2)
где - радиус колеса; 
- глубина касания гребня (обычно равняется 6-10 мм [16]); 
V - скорость движения подвижного состава.
Определим значения Кск при двух- и одноточечном контактах. Для двухточечного контакта ?= 1°20' [16]; ?=70°; =625 мм; =10 мм; =45,6 мм;=0,0747V, т. е. при V=10 м/с (36 км/ч) =0,747 м/с.

Рисунок 1.5 - Силовое взаимодействие гребня колеса с головкой рельса в кривой пути: а - одноточечный контакт; б- двухточечный контакт

При износе по кругу катания более 1,5-2 мм [12] двухточечный контакт переходит в одноточечный. Площадка контакта получает большие размеры и расположена примерно под углом 35-40° к горизонту [16]. Существенно снижаются скольжение и удельное давление. При одноточечном контакте ? =1°20';? =35°; =625 мм;  =6 мм; =10,02 мм; =0,0186 V, т. е. при V=10 м/с (36 км/ч) =0,186 м/с.
Вследствие понижения удельной нагрузки и скорости скольжения на пятне контакта происходит снижение объемной и контактной температуры, что уменьшает износ по причине схватывания и пластического течения металла.
Рассматривая расположение сил, воздействующих на набегающее колесо, было установлено, что на рельс действуют: вертикальная нагрузка, боковое давление,равнодействующаясил.При одноточечномконтакте (рис.1.7, а) реакция рельса будет равнодействующейнормального давления на контакт и силы трения, т. е. 
 Положение точки контактаАзависит от угла набегания грани гребня к горизонтали (и может быть найдено из выражения
				(1.3)
где- отношение бокового давления к вертикальной нагрузке;
- коэффициент трения (f=0,1...0,25) [16]. 
Безопасность движенияопределится отношением
				(1.4)
Снижение коэффициента трения с 0,25 до 0,1 в результате смазки при?0 =70° приводит к увеличению соотношения c 1,48 до 2,05, чтоповышает безопасность движения экипажа в кривых, снижает величину тягового усилия и экономит топливо.
При двухточечном контакте (см. рис. 1.7, б) сила уравновешиваетсяреакциями рельса и, сходящимися в точке С под углом ? . Для новых колес локомотивов ? =70 - 60°, для вагонных - ? =57°. Нормальные нагрузки в точках контакта с учетом коэффициента трения определяются:
				(1 5)
Если принять, что f1 =0,3 (трение без смазки) и f2= 0,1 (со смазкой), топосле расчетов получаем, что; и разница составляет около 4 %.
Отсюда следует, что уменьшение силы трения между гребнем колеса и головкой рельса уменьшает усилие на гребень и повышает давление поверхности катания колеса на поверхность катания головки рельса, что снижает износ гребней.
Установлено [16], что при качении колесной пары по рельсу в кривой возможны три основных случая касания между бандажом и рельсом (рис. 1.6). Доказано, что наибольшая интенсивность изнашивания гребней наблюдается в течение 10-15 тыс. км пробега после обточки, т. е. при двухточечном контакте. При росте проката контактирование переходит на выкружку, а между прямолинейным участком гребня и внутренней гранью головки рельса образуется зазор.

Рисунок 1.6 - Касание между бандажом и рельсом: а - двухточечное касание для новых бандажей и рельсов; б - одноточечное при изношенных бандажах и рельсах; в- одноточечное по выкружке.

Возникает режим качения колеса с проскальзыванием при одноточечном контакте, и интенсивность изнашивания пары снижается.
На основании вышеизложенного можно выделить следующие особенности взаимодействия колесной пары с рельсом в кривой пути:
 существует два вида силового взаимодействия гребня колеса с головкой рельса в кривой пути: одноточечный контакт; двухточечный контакт, приводящие к повышенному изнашиванию трибоконтакта «колесо-рельс»;
 уменьшение силы трения между гребнем колеса и головкой рельса уменьшает усилие на гребень и повышает давление поверхности катания колеса на поверхность катания головки рельса, что снижает износ гребней.

2 АНАЛИЗ ПРИЧИН ИЗНОСА КОЛЕС КОЛЕСНЫХ ПАР ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
2.1 Виды износа трибоконтакта «колесо-рельс»
От исправного состояния колесных пар тепловозов зависит безопасность движения поездов. Характерными неисправностями их являются: износ бандажей - прокат, выбоины или ползуны, подрез гребня; ослабление бандажа, колесного центра, зубчатого колеса; трещины, вмятины, отколы зубьев зубчатого колеса; трещины, риски, забоины, вмятины на шейках оси и др. Выбоины или ползуны на поверхности катания бандажа образуются вследствие заклинивания колесных пар при неправильном торможении, разрушении роликоподшипников, заклинивании зубчатой передачи. Вертикальный подрез гребня и остроконечный накат возникают при неправильной установке колесных пар в раме тележки или работе тепловозов на участках с кривыми малого радиуса. При перекосе колесной пары в раме происходит набегание на рельс гребня бандажа отстающего колеса и поперечное скольжение бандажа по рельсу.
При движении локомотива происходит износ бандажей по кругу катания, называемый прокатом. На поверхности катания бандажей могут быть трещины, плены, раковины и выщербины. Под раковинами понимаются пороки металлургического происхождения в виде неметаллических включений (песка, шлака) внутри металла и пустот от усадки металла при неравномерном остывании, выходящих на поверхность катания колеса по мере его износа.
Выщербины - это выкрашивание кусочков металла на поверхности катания колеса. Ослабление бандажа на колесном центре происходит при недостаточном натяге, нарушении температурного режима при посадке бандажа (неравномерный нагрев, быстрое остывание), а также при заклинивании колесных пар при торможении. Ослабление посадки колесного центра или зубчатого колеса на оси возникает, как правило, при нарушении их напрессовки. Дефекты зубьев в зубчатой передаче возникают вследствие частого боксования колесных пар, износа в зубьях и нарушениях зацепления, загрязнения и недостатка смазки в тяговом редукторе.
Трещины и плены на поверхности оси образуются из-за скрытых пороков металла (пустот, неметаллических включений, микротрещин) и усталости металла от значительной знакопеременной нагрузки, действующей на ось. Риски, забоины, вмятины на оси - результат неосторожного обращения в процессе перемещения, при хранении колесных пар, неправильного монтажа и проворачивания внутренних колец роликоподшипников, загрязнения и недостаточного количества смазки.
Одна из основныхпричинрезкогоповышенияизносагребнейбандажей колесныхпарирельсэторешениеМПСоуменьшенииколеис1524до1520мм.,при этом,допускаетсяразмерыипрофильрабочейчастиколесных пар(расстояниемеждувнутреннимигранямибандажей) осталосьте же. Чтоприводит к “зависанию”гребня колеснойпарынаголовкерельса,особеннов тех местах, гдеколея сузилась, еще больше постарымдопускамипридвижении вкривых.
Висходном состоянии- “зависшего” гребня головке рельсаивзаимногодавленияметалла,гребеньсвнутреннейсторонывытягиватьсяи покасательной плоскости приводит к завышению гребня,исходя “пленочныйнаклеп” и остроту в сторону вершины. Это явлениеназываетсяостроконечнымнакатом. Переходв зауженную колею1520ммначалсяв1977 годуприполном ремонтевсех путей. Сначала нановые дистанцииколеибылипереведеныучасткисболее приятным профилем пути. С 1990 ПО 1992 годабольшинствоучастковбыло переделаны нановый размерколеи.
На период переходаприходитсярезкоеувеличениеизносагребнейбандажейколесных парлокомотивов.Пристатистическим данным,уменьшениешириныколеис1524 до1520мм, привело кувеличению интенсивностибоковогоизносарельсовв кривыхучасткахпутивнесколькораз(с 0,134 до 0,158 мм/мес.).
Также произошло увеличение интенсивностиуменьшениятолщиныгребнябандажейколесныхпарлокомотивов в1,9раза(с0,238до0,456мм/мес.). Допускаемый размерпрокатапокругукатаниябандажейколесныхпар устанавливается в7мм,величинаизносагребней - 8 мм, минимальнаятолщина бандажей колесных пар дляэлектровозов- 40 мм.
Быловыяснено,чтоминимальныйизносбандажейсоответствуетотношению1 - 1,05.Вэтомслучаебудетминимальнымиизносрельса.Вэксплуатации,довведенияновыхтиповрельсов(Р65), твердость,какрельсов,такибандажей былаприблизительноодинаковая.Вследствие этогоотмечалосьприблизительноеравенствоизносарельса ибандажапообъемуметалланаединицувыполненнойработы.
На сегодняшний деньтвердостьрельсовсоответствует400 - 450НВ,атвердость бандажейколесныхпарлокомотивов - 275 - 315 НВ,этозначит,чтопри переходена“новый”типрельса повышеннойтвердости(объемно-закаленный)долженвозрастатьизнос,какбандажа,такирельса.
Из выполненного анализаработыколёсныхпарлокомотивов следует вывод, что наиболееизнашиваемыйэлементколёснойпарыэтобандаж.
К главнымпричинамобточекбандажейколесныхпаротносятся: износгребня,износбандажа,разницадиаметрабандажей,остроконечныйнакат,прокат,ползун. 

2.2 Неисправности колес, с которыми колесные пары не допускаются к эксплуатации
Запрещается выпускать в эксплуатацию и допускать к следованию в поездах тепловозы с поперечной трещиной в любой части оси колесной пары или трещиной в ободе, диске и ступице колеса, а также при следующих износах и повреждениях колесных пар, нарушающих нормальное взаимодействие пути и подвижного состава:
 прокат по кругу катания - более 7 мм при скорости движения до 120 км/ч;
 то же для тепловозов, включаемых в поезда, обращающиеся со скоростью от 121 до 140 км/ч - более 5 мм;
 вертикальный подрез гребня высотой более 18 мм, измеряемый специальным шаблоном;
 ползун (выбоина) на поверхности катания у тепловозов с роликовыми буксовыми подшипниками более 0,7 мм и с подшипниками скольжения - более 1 мм;
 толщина гребня более 33 мм или менее 28 мм при измерении на расстоянии 20 мм от вершины гребня для тепловозов, включаемых в поезда, обращающиеся со скоростью от 121 до 140 км/ч;
 при скоростях движения до 120 км/ч толщина гребня более 33 мм или менее 25 мм. Расстояние между внутренними гранями колес должно быть в пределах (1440±3) мм, а для тепловозов, обращающихся в поездах со скоростью от 121 до 140 км/ч,- в пределах 1440.
Кроме того, запрещается выдавать под поезда тепловозы с колесными парами, имеющими хотя бы одну из следующих неисправностей:
 трещину или плену в бандаже;
 раковину на поверхности катания;
 выщербину на поверхности катания длиной более 25 мм и глубиной более 3 мм;
 ослабление бандажа на колесном центре, оси в ступице колеса, ступицы зубчатого колеса - на оси, продольную трещину или плену на средней части оси длиной более 25 мм, а на других обработанных поверхностях оси - независимо от размера;
 местное увеличение ширины бандажа в результате раздавливания более 5 мм;
 ослабление бандажного кольца в сумме на длине более 30%;
 неясности клейм последнего полного освидетельствования;
 отсутствие или неясность клейм формирования;
 если колесной паре не производилось еще освидетельствования с выпрессовкой оси (при ремонте со сменой элементов);
 толщину бандажа колесной пары менее 36 мм.

2.3 Осмотр и освидетельствование колес  колесных пар
За время работы колесные пары подвергают осмотру под тепловозом, обыкновенному и полному освидетельствованию, а также освидетельствованию с выпрессовкой оси. Колесные пары осматривают под тепловозом при всех видах технического обслуживания и текущего ремонта без выкатки из-под тепловоза, приемке и сдаче, выезде под поезд, на пунктах оборота, а также после крушения, аварии, при столкновении или сходе с рельсов.
Во время осмотра проверяют плотность посадки и наличие сдвига бандажа на колесном центре. Ослабление бандажа обнаруживается по глухому дребезжащему звуку при обстукивании бандажа слесарным молотком. Сдвиг бандажа определяют по расхождению контрольных отметок на бандаже и центре колеса. Признаками ослабления бандажа могут быть выделение смазки и ржавчины по окружности в месте прилегания бандажа к ободу колесного центра.
При осмотре проверяют, нет ли на бандажах трещин, ползунов, плен, вмятин, раковин, выщербин, подреза и остроконечного наката гребня. Не реже 1 раза в месяц в каждом депо у всех колесных пар тепловозного парка специальными шаблонами измеряют прокат, толщину гребня и бандажа. Предельный износ отдельных элементов колесной пары приведен на рис. Обыкновенное освидетельствование колесных пар тепловозов производят на текущем ремонте ТР-3 и перед каждой подкаткой колесной пары под тепловоз. При этом наружным осмотром проверяют состояние бандажей, колесных центров и зубчатого колеса, наличие соответствующих знаков и клейм на торцах оси, поверхности бандажа и зубчатом колесе, шаблонами измеряют прокат, толщину бандажа и гребня, шейки оси обследуют магнитным дефектоскопом.
Полное освидетельствование колесные пары тепловозов проходят при капитальных ремонтах, смене бандажей, ремонте с распрессовкой элементов, при неясности или отсутствии клейм и знаков последнего освидетельствования, повреждении колесных пар после аварии или крушения. При полном освидетельствовании колесную пару очищают от грязи и краски до металла, подступичные части оси проверяют ультразвуковым дефектоскопом, заменяют изношенные или дефектные элементы.
После освидетельствования на ось колесной пары наносят клейма и знаки полного освидетельствования. Результаты обыкновенного и полного освидетельствования записывают в специальный журнал и технический паспорт колесной пары, в который заносятся также все данные, связанные с изготовлением и эксплуатацией колесной пары. Освидетельствование колесной пары с выпрессовкой оси производится во всех случаях непрозвучивания оси ультразвуковым дефектоскопом при полном освидетельствовании, при спрессовке двух колесных центров, при отсутствии или неясности клейм формирования и если колесная пара не проходила такого вида освидетельствования. При этом производят все работы, предусмотренные для полного освидетельствования, а также выпрессовывают ось, проверяют магнитным дефектоскопом ее подступичные части для выявления поверхностных трещин, после чего на ось наносят клейма и знаки освидетельствования с выпрессовкой оси.

2.4 Анализ причин износа колес колесных пар подвижного состава
Для установления основного и сопутствующего видов изнашивания пары трения «гребень колеса - головка рельса» согласно ГОСТ 27674-88 обследовались бандажи колес и головки рельсов, выбракованные по причине их предельного износа.
Выявлено пять различных основных видов износа [7].
Первый тип износа наблюдается у набегающих колесных пар электровозов и электросекций, работающих на участке со средним и тяжелым профилем пути и большим числом кривых. Интенсивность изнашивания высокая. Образующая конической части гребня получает криволинейный профиль с большим радиусом кривизны; угол между касательной к образующей и осью колесной пары составляет 65° для электровозных и 70° для моторвагонных бандажей с отклонением 1 -2°. Переход от образующей к вершине гребня представляет собой остроконечный профиль с большой пластической деформацией - накатом у моторвагонных бандажей (у электровозных бандажей накат снимается тормозными колодками). Радиус выкружки имеет размер, равный 12-13 мм с плавным переходом к конической части бандажа.
Характерно изношенный гребень колеса (рис. 2.1, а) имеет матовую металлическую поверхность со следами схватывания металла в виде глубоких углублений осповидной формы, направленных снизу вверх, т. е. от выкружки к вершине. Фрикционная поверхность пластически деформирована - закатана.
На электровозных бандажах преобладают мелкие осповидные углубления, на моторвагонных - более крупные. Ближе к вершине гребня число углублений заметно уменьшается, а у самой вершины их нет совсем; они закатываются при течении пластически деформированного металла по направлению к вершине гребня. Выявлено наличие участков «белого слоя» в тех местах, где нет оспин схватывания.
У вершины и выкружки гребня наблюдается износ в результате пластического деформирования, в средней части - схватывания и глубинного выравнивания. Износ и нарушение прочностных характеристик фрикционной поверхности изменяют первоначальную форму гребня колеса, который начинает представлять собой остроконечный профиль с большой пластической деформацией - остроконечным накатом (рис. 2.1, б).


Рисунок 2.1 - Внешний вид (а) и поперечное сечение (б) изношенной поверхностигребня колеса

Соотношение интенсивности естественных форм износа (прокат и износ гребня) зависит от эксплуатационных условий, однако во всех случаях износ гребня опережает нарастание вертикального проката бандажа.
Второй тип износа наблюдается у бандажей колесных пар локомотивов и электросекций, эксплуатирующихся на равнинных участках с легким профилем пути и малым количеством кривых. В этих случаях прокат бандажа опережает износ гребня.......................