Бунькова Тамара Геннадьевна повышение ресурса пары «колесо – рельс» за счет рационального подбора свойств материалов

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает вве-
дение, пять глав с выводами по каждой главе, заключение по работе, изло-
жена на 151 странице машинописного текста, содержит 29 таблиц и 64 ри-
сунка, 2 приложения. Список используемых источников литературы насчи-
тывает 78 наименований. 
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ 
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-

---

7 
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 х
1
и вертикаль-
ной нагрузки х
2
на интенсивность изнашивания:

---

8 
для колеса – 
;
0404
,
0
0767
,
0
12
,
0
0491
,
0
0017
,
0
245
,
0
2
1
2
2
2
1
2
1
x
x
x
x
x
x
y
a






(1) 
для рельса – 
,
0115
,
0
0058
,
0
0525
,
0
0231
,
0
0133
,
0
0975
,
0
2
1
2
2
2
1
2
1
x
x
x
x
x
x
y
b






(2) 
где 
a
y
, 
b
y
– интенсивность изнашивания соответственно материала 
колеса и рельса; х
1
, х
2
 – 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 х
1
 
 
 
(3) 
Р = 1200 + 780 х
2
(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 х
1
, вертикальная х
2 
и горизонтальная нагрузка х
3 
на колесо. Получены следующие уравнения регрессии в кодовых значениях 
варьируемых параметров: 
потеря массы колеса – 
;
4275
,
0
)
(
08
,
1
)
(
1925
,
1
)
(
225
,
0
54
,
0
3825
,
0
135
,
0
3
,
0
24
,
0
04
,
0
3
2
1
3
2
3
2
3
1
3
1
2
1
2
1
3
2
3
1
2
1
3
2
1
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
y
a














потеря массы рельса – 
,
0925
,
2
)
(
2025
,
0
)
(
405
,
0
)
(
215
,
1
4275
,
0
045
,
0
045
,
0
17
,
0
14
,
0
02
,
0
3
2
1
3
2
3
2
3
1
3
1
2
1
2
1
3
2
3
1
2
1
3
2
1
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
y
b














(5) 
(6) 
где у
а
, у
b
,  – параметры, характеризующие интенсивность изнашива-
ния; х
1
, х
2
, х
3
– кодированные значения твердости, вертикальной и боковой 
нагрузок.
Для перехода от кодированных значений по линиям равного отклика 
к натуральным НВ, Р
1
и Р
2
используются выражения: 
НВ = 293 + 70 х
1
 
 
 
 
(7) 
Р
1 
= 420 + 1560 х
2 
 
 
 

(8) 
Р
2 
= 195 + 1384 х
3 
 
 
 
 
(9) 
По уравнениям (5), (6) построены линии равного отклика (рис. 1, б). 

---

9 
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)