Реферат: Наукові основи підвищення ефективності гальмування поліпшенням умов взаємодії коліс з гальмівними колодками і рейками

Моделювання силової взаємодії екіпажа тепловоза ТЕП 150 і рейкової колії виконано при розрахунковому навантаженні від колісної пари на рейки в 215 кН у швидкісному діапазоні від 40 до 200 км/год при русі в прямих і кривих ділянках колії з радіусом 300, 600 і 1000 м.

Результати розрахунків динамічних процесів за наведеною математичною моделлю тестувалися шляхом порівняння з результатами ходових динамічних випробувань тепловоза ТЕП 150, проведених відділом випробувань ВАТ «ХК «Луганськтепловоз». Результати порівняння показали задовільну збіжність за коефіцієнтами вертикальної і горизонтальної динаміки, рамними силами, вертикальними силами у буксовому підвішуванні, взаємним переміщенням елементів екіпажа і кузова, вертикальними і горизонтальними прискореннями візків і кузова. Розбіжність результатів за основними показниками не перевищує 15% (табл. 1).

Розрахунки й експериментальні дослідження показали, що екіпаж тепловоза ТЕП 150 за динамічними показниками відповідає нормативним вимогам: коефіцієнти вертикальної й горизонтальної динаміки не перевищують припустимих значень у швидкісному діапазоні до 160 км/год.

Моделюванням руху в прямих ділянках колії встановлено, що при взаємодії коліс зі зношеним профілем і новими рейками спостерігається незначний ріст вертикальних динамічних сил (≤ 5%), однак збільшуються динамічні горизонтальн рамні сили, горизонтальні поперечні прискорення і переміщення (на 15...30%).

При рус локомотива, що має колеса із прокатом 5 мм, у кривих ділянках по нових рейках і колії в "гарному стані" збільшення показників горизонтально динаміки не перевищує 10%, проте із погіршенням стану рейкової кол вплив зношування коліс на вказані показники значно зростає і сягає рівня 35%.

 Таблиця 1

Зіставлення результатів розрахунку і експериментальних даних за основними динамічними показниками екіпажа тепловоза ТЕП 150

Моделюванням руху в кривих ділянках шляху радіусом 300, 600 і 1000 м при різних швидкостях руху і стандартних профілях коліс і рейок встановлено, що бічн рамні сили, поперечні прискорення кузова і візків монотонно зростають із ростом швидкості руху і визначаються величиною моменту опору повороту візка щодо кузова в плані. Підвищений момент від сил тертя між ковзунами й полімерними накладками в опорних пристроях кузова на візки стало негативно впливає на рівень горизонтальних сил у системі “екіпаж-колія”, ріст бічних і рамних сил становить від 11 до 27%.

Встановлено математичним моделюванням, що для опорних пристроїв кузова на візки екіпажа раціональною величиною коефіцієнту тертя є 0,05...0,07, що зменшує тривалість і рівень силової взаємодії між колісьми і рейками в горизонтальній площині при русі в кривих і прямих ділянках колії.

Моделювання руху в режимі екстреного гальмування при стандартних чавунних і дослідних С-С колодках показало, що застосування пропонованих колодок дозволяє знизити натиснення у два рази при збереженні довжини гальмівного шляху, а також зменшити його при високих швидкостях руху. Стабільний і високий коефіцієнт тертя фрикційного спряження гальмівна С-С колодка - колесо” дозволяє використати автоматизовану систему управління процесом гальмування, значно зменшити величину дійсного гальмівного шляху термічний вплив на поверхню катання колеса.

Аналіз результатів математичного моделювання і експериментальних досліджень показав, що для підвищення ефективності гальмування та зниження інтенсивності зношування елементів системи “гальмівна колодка - колесо - рейка” необхідні нові фрикційн матеріали колодок з достатньо високим і стабільним коефіцієнтом тертя, котрі не спричиняли б руйнуючої термічної дії на поверхню катання коліс. Для підвищення зчеплення шляхом поліпшення умов взаємодії в системі “колесо - рейка” необхідно вдосконалювати візкові рейкові екіпажі з метою зниження моменту опору повороту візків щодо кузова в плані створенням і використанням в опорно-повертальних пристроях антифрикційних матеріалів з достатньо низьким і стабільним коефіцієнтом тертя.

Четвертий розділ присвячений питанням теорії, розробки методів розрахунку і удосконалення фрикційних С-С композитів для гальмівних колодок і накладок механічних гальмівних систем рухомого складу. Аналіз досліджень указує на істотну залежність для відомих матеріалів основного вихідного параметра фрикційного спряження - реалізованого коефіцієнта тертя - як миттєвих, так і середніх його значень, від рівня контактних напружень, швидкості ковзання і температури на поверхні тертя. Температурна напруженість контактної поверхні є інтегральним показником роботи сил тертя на контакті, що визначається питомим навантаженням і відносною швидкістю ковзання, а також теплофізичними властивостями матеріалу гальмівних колодок, зокрема, теплопровідністю.

Ця проблема однією з найбільш актуальних як для колодкових, так і для дискових гальмівних пристроїв, оскільки при русі на затяжних спусках температура колодок у зон взаємодії з колесом може досягати більше 1000°С, що відповідає важкому й надважкому режимам роботи фрикційного спряження, а в дискових гальмах у зон плям припікання фактична температура досягає 800…1000°С.

У таких складних щодо температурної напруженості умовах можуть використовуватися фрикційн вуглець-вуглецеві композиційні матеріали (C-C композити), які являють собою вуглецеву матрицю, зміцнену вуглецевими волокнами. Механічними, фізичними й термічними властивостями композитів можна управляти шляхом зміни відповідних параметрів армуючого каркаса: орієнтацією волокон, об'ємним вмістом і кроком волокон по напрямках, щільністю каркаса, типом ниток і видом волокон, а також вибором матриці та способу виготовлення.

Початковими матеріалами для вуглецевих волокон є віскозні і поліакрилнітрильні (ПАН) волокна, які після високотемпературної обробки (карбонізація і графітизація) набувають високих міцнісних та пружних характеристик, термостійкості, стійкост до атмосферного впливу і хімічних реагентів.

Ущільнення багатонаправлених структур виконується методом осаджування вуглецю з газоподібного вуглеводню в спеціальних термоградієнтних газофазних установках типу АГАТ-1.6 і АГАТ-2.0 у Національному науковому центрі «Харківський фізико-технічний нститут». При цьому було використано метод радіально рухомої зони піролізу, наукові основи і реалізація якого запропоновані проф. В.А. Гуріним.

Запропоновано теорію і методику розрахунку пружних технічних констант просторово армованих КМ, що враховують ступінь армування і для яких початковими даними є модуль пружності, модуль зрушення і коефіцієнт Пуассона армуючих волокон і матриц (зв’язуючого) .

Визначення коефіцієнтів матриці піддатливості  виконано методом Крамера шляхом розв'язку лінійних рівнянь закону Гука, що містять коефіцієнти жорсткості щодо деформацій , представлених системою рівнянь (17), котра розпадається на дві незалежні системи для визначення й , кожна з яких розв'язується окремо:

Розв'язком системи рівнянь визначаються модуль пружності, модуль зрушення і коефіцієнт Пуассона просторово армованого композиту (рис.3). Реалізація методики розрахунку виконується програмним модулем, що враховує параметри початкових матеріалів і тип матриці.

Випробування показали, що С-С композити мають унікальні фрикційні властивості: коефіцієнт тертя при температурі в контакті 15 ... 20°С становить 0,2...0,3 і з зростанням температури контактної поверхні тертя не зменшується, як у серійних фрикційних матеріалів, а збільшується до значень ≈ 0,4...0,6 і стабілізується при температурі більше 400°С.

З метою забезпечення достатнього і стабільного коефіцієнта тертя гальмівних колодок розроблено технологічні схеми і способи виготовлення модифікованих С-С композитів, у яких використано модифікатори тертя: оксид алюмінію (Al2O3), карбід бору (B4C) двох фракцій – грубозернистої й дрібнозернистої, а також дрібнодисперсний аморфний бор.

Експериментальн дослідження міцнісних, теплофізичних і триботехнічних характеристик «чистих» модифікованих С-С композитів було проведено на дослідних і натурних зразках з різним вмістом (% по масі) вуглецевих волокон, піровуглецю, сітки з мідного дроту та модифікаторів тертя, – різних за типом і фракційним складом.

Вдосконалення технологічних схем виготовлення і використання нових перспективних технічних рішень дозволили зменшити собівартість виробництва фрикційних С-С композитів до рівня, що не перевищує двократної вартості звичайних композиційних матеріалів.

У п'ятому розділі наведено результати експериментальних досліджень експлуатаційних характеристик ефективності використання гальмівних колодок із С-С композитів. Попередн випробування проводилися на стандартній машині тертя моделі СМЦ-2, а доводочн з натурними колодками – на спеціальній стендовій установці, що реалізує схему «обертовий вал – гальмівні колодки». При створенні експериментальної установки використано нові технічні рішення, зокрема гальмівні колодки мали два ступеня рухомості – за напрямом дії нормального зусилля притиснення і разом з контртілом у напрямі обертання останнього під впливом сили зчеплення.

Для реєстрац вихідних параметрів процесу гальмування розроблено вимірювальну систему на баз персональної ЕОМ з аналого-цифровим перетворювачем (АЦП) і керуюча програма (АDC) на мові програмування Delphi для роботи в операційних системах Windows.

Всі випробування проводилися як порівняльні за ідентичних умов і режимів навантаження. Для випробувань було прийнято: чавунні колодки виробництва «ХК «Луганськтепловоз»); ЕМ-2 (6КВ-10) за ГОСТ 15960-70; 6КХ-1Б за ТУ 38-5-560-69; ретинакс А і Б (ФК-16А і ФК-24А) за ГОСТ 10851-73; стрічка азбестова типу Б і полімерний композит ТР-9 тощо.

Після попередніх випробувань серійних матеріалів і модифікованих С-С композитів, що відрізняються типом вуглецевих волокон і структурою зміцнюючого каркаса, видом модифікатора тертя, кількісним і фракційним складом останнього, для доводочних випробувань було прийнято дев'ять типів найбільш перспективних композицій. Процес ущільнення піровуглецем проводився в потоці природного газу методом радіально рухомої зони піролізу, після чого заготовки піддавалися механічній обробці і шліфуванню робочої поверхні тертя алмазними дисками.

Основними показниками для порівняння ефективності гальмівних колодок були прийняті величина і характер зміни коефіцієнта тертя залежно від інтегрального фактора - температури на контактній поверхні тертя, що узгоджується з вимогами Бюро експлуатаційних випробувань Міжнародного союзу залізниць (БЕВ МСЗ). Для обробки результатів випробувань гальмівних колодок із С-С композитів використано методи математичної статистики і теорії ймовірностей (рис. 4).

Аналіз результатів випробувань показав, що математичне очікування величини коефіцієнта тертя за початкової температурі 20°С становить 0,451 і змінюється від 0,366 до 0,536 у межах , що становить 99,7% спостережуваних значень, а в межах  змінюється від 0,395 до 0,507, що становить 95,4% отриманих експериментальних даних. Отже, модифіковані аморфним бором композити мають достатній початковий коефіцієнт тертя при температурі 20°С , однак особливо важливим є його стабілізація на рівні 0,45...0,55 у широкому діапазоні зміни температури поверхні тертя (20…500˚С – за умовами випробувань).

Фрикційна характеристика модифікованих аморфним бором С-С композитів (рис. 5), отримана методом математичного планування експерименту з урахуванням впливу питомого навантаження ( , МПа), швидкості ковзання на контакті (, м/с) температури (, °C), ма вид:

Аналіз результатів показав, що з ростом швидкості ковзання і питомого навантаження величина коефіцієнта тертя повільно зменшується, а з ростом температури контактної поверхні теж повільно, але збільшується.

Порівняння фрикційних властивостей модифікованих С-С композитів з металокерамічними (BM-41) і композиційними гальмівними колодками (929-1G) фірми «BECORIT» (рис. 6), сертифікованими МСЗ для використання на рухомому складі Європейських залізниць, свідчить про їхню відповідність снуючим вимогам.

Ресурсні випробування з визначення зносостійкост проводилися за єдиною і ідентичною програмою навантаження; величина зношення визначалася масовим методом з подальшим перерахунком на лінійне зношення, при цьому контактна поверхня тертя становила не менш 80% від площі колодки.

Особливо високою зносостійкістю відрізняються модифіковані С-С колодки, які мають зношування контактної поверхні в 6...9 разів менше звичайних фрикційних матеріалів і в 2,1...2,7 рази менше, ніж у існуючих композиційних колодок. Також встановлено, що найбільше руйнують матеріал контртіла (колісна сталь марки 2 - бандажі колісних пар) чавунні гальмівні колодки, при цьому зношування поверхні контртіла в 1,3...1,7 раза вище, ніж за модифікованих і «чистих» С-С колодок.

Розрахунки дійсного гальмівного шляху (SД) тепловоза ТЕП 150 (рис. 7, а) за методикою ПТР при екстреному гальмуванні на площадці з швидкості 160 км/год при послідовному використанн стандартних чавунних колодок (1*), з підвищеним вмістом фосфору (2*), композиційних (3*) і С-С колодок (4*) показали, що нові С-С колодки забезпечують зменшення гальмівного шляху в порівнянні із чавунними більш ніж у два рази, а з композиційними - на 8...10%.

Математичним моделюванням просторового руху локомотива з составом потяга (рис.7, б) по чистих і сухих рейках у режимі гальмування із чавунними і С-С колодками встановлено, що незалежно від фрикційних умов у контакті коліс із рейками для досягнення однієї й тієї ж величини гальмівного шляху необхідна величина натискання на С-С колодки є у два раза меншою. Отже, модернізація рухомого складу може бути виконана простою заміною серійних композиційних колодок на С-С колодки.

Пропоновані гальмівні С-С колодки за своїми технічними і трибологічними характеристиками не поступаються кращим зразкам сучасних фрикційних матеріалів, а здатністю витримувати високу температурну напруженість на контактній поверхн тертя і забезпечувати достатньо високий і стабільний рівень коефіцієнта тертя перевершують останні.

Розрахунки, експериментальні дослідження і пробні поїздки свідчать, що нові С-С колодки істотно підвищують ефективність процесу гальмування рейкового рухомого состава й одночасно справляють менш руйнівну механічну і термічну дію на поверхню катання коліс на гальмівних осях.

У шостому розділі наведено результати експериментальних досліджень теплофізичних параметрів гальмівних C-C колодок з різними схемами зміцнюючих каркасів для рейкового рухомого складу, визначено основні закономірності виділення теплоти і представлено постановку та результати чисельного вирішення нестаціонарної теплової задачі теплопровідност для системи “гальмівні колодки – колесо – рейка”.

У зв'язку з складністю теоретичного опису механізму інтегральної теплової провідності в середовищі - композиті для визначення теплопровідності використовувалися емпіричні методи. На спеціальній стендовій установці випробуванням піддавалися дослідні зразки матеріалу С-С колодок, а в якості еталонного було використано чавунний зразок з відомою теплопровідністю.

Для оцінки впливу на теплопровідність С-С композитів різних наповнювачів всі дослідні зразки виготовлялися на основі вуглецевої тканини і піровуглецю, а як модифікатор до складу №1 було включено мідний дріт, до складу №2 - карбід бору, до складу №3 - бор аморфний.

Емпіричн залежності впливу якісного складу компонентів і їхнього процентного вмісту по масі на коефіцієнт теплопровідності С-С колодок отримано методом математичного планування експерименту. Характер зміни величини коефіцієнта теплопровідност від домінантних факторів (рис. 8) і емпіричні залежності мають вид:

Погрішність апроксимації становить не більше ± 6,5% при довірчій імовірності .

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5