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

Встановлено, що для складу №1 коефіцієнт теплопровідності в досліджених діапазонах факторів впливу монотонно зростав від 34,3 до 45,6 Вт/(мМК).

Для складу №2 коефіцієнт теплопровідності менше і діапазон зміни становив 22...36 Вт/(мМК), що пояснюється відсутністю мідного компонента. Склад №3 характеризується найбільш складним механізмом теплової провідності, однак забезпечує високе середньотемпературне значення коефіцієнта теплопровідност 34 Вт/(мМК).

Слід зазначити, що високу теплопровідність – 35...55 Вт/(мМК) мають серійні чавунні гальмові колодки, а з підвищеним вмістом фосфору і колодки типу Samson (P30) – 21...28 Вт/(мМК); композиційні колодки виробництва «ФРИТЕКС» типу ТIIР характеризуються величиною 0,8...3,3Вт/(мМК). Згідно з зарубіжними джерелами, композиційні і металокерамічні колодки мають цей показник на рівні 1,3 і 7,5 Вт/(мМК).

Отже, нові С-С колодки з величини коефіцієнта теплопровідності незначно поступаються чавунним і мають більш високі показники в порівнянні з іншими фрикційними матеріалами.

В основ моделювання нестаціонарних теплових процесів у твердих тілах лежить рівняння нестаціонарної теплопровідності. Для сплощених тіл, а такими прийняті ходов колеса, відповідне рівняння має вид:

Гранична умова другого роду в зоні контакту колеса з рейкою, а також на поверхні контакту колеса з колодкою задавалася у виді густини нестаціонарного теплового потоку

Тепловий потік у плямі контакту визначався з умови пропорційності теплового потоку, що виділяється в плямі контакту, потужності сил деформації колеса та рейки: Qк. = е∙Е1N , а  було прийнято рівним коефіцієнту дисипації механічної енергії при деформації. Роботу сил одиничної деформації Е01 з урахуванням її нестаціонарност було знайдено у виді

У припущенн пропорційності потужності енерговиділення деформації на даному режимі руху обсягу деформованого матеріалу за одиницю часу було отримано розрахункову формулу

Зазначені у виразах (24) і (25) змінні визначені за результатами розв'язку рівнянь динамічної контактної задачі у вид апроксимаційних залежностей.

Тепловий потік при зміні швидкості руху в процесі гальмування визначався інтерполяцією значень функцій, отриманих при реперних значеннях швидкостей V = 40, 80, 120, 160 км/год (при убуванні швидкості до значень, менше 40 км/год відповідно екстраполяцією).

Тепловий потік Qкк, що надходить від плями контакту в колесо, приймався рівним 0,5Qк відповідно до рекомендацій проф. О.Л. Голубенка. Тепловий потік у зоні тертя колодки об колесо при гальмуванні задавався для кожної о ділянки згідно з виразом

Розподіл потоків теплоти між колесом і колодкою визначався коефіцієнтом , запропонованим проф. В. Г. Іноземцевим.

Для розв'язку нелінійного диференціального рівняння 2-го порядку (22) використовувався метод кінцевих різниць, при цьому площина колеса у декартових координатах ХУ розбивалася квадратною сіткою (рис. 9). Рівняння (22) для довільної точки (xi,yj,фk) поверхні колеса (у момент часу фk), а також граничні умови (23) приводились до кінцево-різницевого виду. Результати вирішення теплово задачі (графіки та комп’ютерні екранограми) наведено на рис.10 - 12.

Згідно з результатами чисельного розв'язку рівняння (22) із граничними умовами (23) для випадку руху з постійною швидкістю = 160 км/год і при = 0 °С сталий перегрів поверхні катання коліс локомотива ТЕП 150 відносно атмосферного повітря склав 58 °С, при цьому максимальна температура в зоні контакту з рейкою не перевищувала 240 °С. Значення зазначених вище параметрів у режимі гальмування двома колодками із зусиллям натиснення 40 кН становило відповідно: для серійних композиційних колодок 462 °С і 563 °С; для стандартних чавунних та з фосфористого чавуну 235 °С і 345 °С та 249 °С і 363 °С, для дослідних С-С колодок 380 °С и 482 °С. При цьому температурна залежність для плями контакту має істотно нестаціонарний характер внаслідок нестаціонарності теплового потоку від гармонійних деформацій.

Найбільший перегрів при гальмуванні було зафіксовано на контактній поверхні тертя “колодка - колесо” (рис. 10 і 11). Цей показник становив для серійних композиційних колодок 796 °С; для стандартних чавунних - 325°С, для фосфористого чавуну - 345 °С; і для дослідних С-С колодок - 668°С.

Як випливає з аналізу результатів чисельних досліджень, дослідні гальмівні С-С колодки мають перевагу в порівнянні із серійними композиційними колодками з усіх термічних показників, що характеризують протікання теплових процесів у системі «гальмівна колодка-колесо-рейка» і можуть позитивно впливати на елементи вказаної системи (рис. 11, 12). Так, модифіковані С-С колодки дозволяють зменшити температурну напруженість контактного спряження пари тертя “колодка - колесо” на 20% у порівнянні із серійними композиційними гальмівними колодками.

Результати моделювання нестаціонарного теплового процесу підтверджено експериментальними дослідженнями на стендовій установці та добре узгоджуються з даними, наведеними в роботах проф. В.Г. Іноземцева для стандартних чавунних і серійних композиційних колодок.

Встановлен закономірності і математичні моделі дозволяють створювати і використовувати перспективн фрикційні матеріали з високими теплофізичними властивостями, що сприяє значному підвищенню ефективності гальмування рейкового рухомого складу поліпшенням умов взаємодії в системі “гальмівна колодка - колесо - рейка”, збільшенню довговічності і терміну служби як окремих елементів, так і системи у цілому.

Сьомий розділ присвячено поліпшенню експлуатаційних характеристик та властивостей вузлів тертя в зчленуванні кузова і візків екіпажа з метою поліпшення характеристик і умов взаємодії рухомого складу колії. Зчленування кузова і візків здійснюється за допомогою опорно-повертальних (ОПП) і шкворньових пристроїв. Кінематичні зв'язки дозволяють рамі візка переміщуватись щодо кузова на деяку величину dmax повертатися на деякий кут , що сприяє зниженню силової взаємодії колеса і направляючої рейки в контактній зоні. При завищеному значенні моменту тертя в опорних пристроях утрудняється поворот візків щодо кузова в плані при вписуванні в криві, а при русі в прямих ділянках шляху спостерігається рух візків з перекосом. При цьому значно збільшується не тільки силовий вплив екіпажа на колію, але й тривалість взаємодії гребенів коліс із рейкою, що викликає інтенсивне зношування контактних поверхонь.

Аналіз умов роботи ОПП тепловоза ТЕП 150 показав, що основною складовою моменту опору повороту є момент від сил тертя на контактній поверхні “ковзун - полімерна накладка”. Отже, необхідно забезпечити спряження головної пари тертя ОПП з досить низьким і стабільним коефіцієнтом тертя, раціональна величина якого за результатами моделювання руху екіпажа тепловоза ТЕП 150 встановлена в діапазон 0,05...0,07, що підтверджено поїзними випробуваннями тепловоза 2ТЕ116.

Використовуючи основні трибологічні принципи і ґрунтуючись на сучасних полімерах, розроблено технологічні схеми та способи виготовлення самозмащувальних матеріалів на основі капролону з наповнювачами у виді мінерального масла, дисульфід молібдену й лускатого графіту.

Для експериментальних досліджень на стендовій установці, що імітує експлуатаційн умови за величиною і частотою прикладення вертикального і горизонтального навантажень, а також швидкості ковзання, були виготовлені натурні дослідн зразки з таких матеріалів: фторопласт-4, триболіт на основі вуглецевої тканини ВТФ, триболіт на основі бавовняної тканини БТФ, С-С композити з піровуглецевою матрицею, капролон В «У» маслонаповнений і графітонаповнений (табл. 2).

Таблиця 2

Результати випробувань головної пари тертя опорних пристроїв тепловоза ТЕП 150 з полімерними накладками із графітонаповненого капролону

Попередніми міцнісними випробуваннями встановлено, що весь спектр навантаження успішно витримують тільки полімерні накладки на основі капролону, які й було рекомендовано для ресурсних випробувань протягом 30 годин, що відповіда умовному пробігу в 300 тис. км. При ресурсних випробуваннях самозмащувального графітонаповненого капролону В «У» отримано результати, досить близькі до характеристик маслонаповненої композиції.

Експериментальними дослідженнями натурних антифрикційних самозмащувальних матеріалів на основ капролону В, виготовлених за новою технологією і компонентним складом, встановлено, що ці матеріали мають достатні міцнісні та зносостійкі властивості, забезпечують стабільний коефіцієнт тертя в межах 0,05…0,07 у температурному діапазоні до 100˚С і можуть ефективно використовуватися в опорно-повертальних пристроях рухомого складу з одноразовим введенням рідкого мастила при початковій установці опорних пристроїв на рухомий склад. Слід зазначити, що в процесі експлуатації не потрібне додавання змащення в опорні пристрої.

Вдосконалення експлуатаційних характеристик опорних пристроїв дозволяє істотно (до 32%) зменшити момент опору повороту візків щодо кузова, кінематичну і силову взаємодію колеса з рейкою, а також роботу сил тертя в контактній зоні.

ВИСНОВКИ

У дисертац вирішено актуальну науково-технічну проблему підвищення ефективност гальмування рейкового рухомого складу поліпшенням умов взаємодії коліс із гальмівними колодками і рейками шляхом розвитку теорії та знайдення науково обґрунтованих технічних рішень, що забезпечують підвищення ефективності роботи гальмівних і опорно-повертальних пристроїв, зниження інтенсивності зношування елементів системи “гальмівна колодка - колесо - рейка” і підвищення строку хньої служби. Теоретичні положення, математичні моделі і методи вирішення динамічних контактних задач взаємодії коліс із рейками, а також установлені закономірност контактної, фрикційної, динамічної і теплової взаємодії елементів у системі дозволили створити наукові основи поліпшення характеристик і умов взаємодії рухомого складу і колії.

За результатами проведених теоретичних і експериментальних досліджень зроблено такі висновки.

Одержала подальшого розвитку математична модель динамічної контактної взаємодії колеса і рейки з урахуванням осциляції ядер інтегральних рівнянь, принципу граничного поглинання гармонійного збурення, що дозволило уточнити величину і характер розподілу контактних напружень.

Уперше отримано теоретичне вирішення динамічної контактної задачі щодо вертикальних коливань колеса на пружній ізотропній рейці з використанням точної факторизації ядра нтегрального рівняння, що дозволило одержати аналітичні залежності для кутів зрушення фаз і модуля комплексної амплітуди коливань колеса.

Отримано нтегральні рівняння для розв'язку контактних задач щодо руху колеса по пружній рейці і щодо руху клина в пружному шарі - рейці, що дозволяє виконати уточнен розрахунки колеса та рейки на міцність і жорсткість, а також прогнозувати розвиток тріщин і виконувати розрахунки на ресурс по втомному руйнуванню.

З урахуванням динамічного характеру вертикальної компоненти контактних напружень удосконалено просторову математичну модель руху локомотива із составом потягу, що дозволя виконати поглиблені дослідження процесів силової контактної взаємодії колеса з рейкою. Моделюванням руху екіпажа встановлено, що підвищення ефективност гальмування і поліпшення умов взаємодії рухомого складу і колії найбільш раціональним чином можуть бути досягнуті завдяки створенню і використанню принципово нових фрикційних матеріалів у системі колодкового гальмування, що спричиняють зниження теплонапруженості, зменшення зношування і руйнуючого впливу колодок на поверхню катання коліс, а також застосуванням в опорних пристроях антифрикційних матеріалів з низьким коефіцієнтом тертя для зменшення моменту опору повороту візків щодо кузова в плані.

Розроблено теоретичне обґрунтування, компонентний склад, структура, технологічні схеми виготовлення конструктивне виконання нових гальмівних С-С колодок на основ вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів з піровуглецевою матрицею модифікаторами тертя, які характеризуються високими та стабільними експлуатаційними властивостями в умовах зміни температури в широкому діапазоні. Уперше встановлено закономірності впливу на фрикційні характеристики якісного, кількісного й фракційного складу різних компонентів і модифікаторів тертя, що дозволяє створювати перспективні гальмівні колодки із заданими параметрами.

Уперше встановлені фрикційні характеристики гальмівного спряження “колісна сталь марки 2 – С-С колодки” у виді емпіричних залежностей від температури поверхні тертя, швидкості ковзання і питомого навантаження, які використовуються для розрахунків гальмівного шляху, часу гальмування та уповільнення, а також для створення автоматизованої системи регулювання і управління процесом гальмування.

Експериментальним шляхом визначено закономірності впливу різних компонентів і їхнього масового вмісту на коефіцієнт теплопровідності С-С колодок, що дозволяє створювати перспективні гальмівні колодки, котрі сприяють інтенсивному відводу теплоти із зони тертя і зменшують температурну напруженість на 20% і більше в порівнянн з серійними композиційними. Встановлено, що гальмівні С-С колодки, модифіковані гібридним зміцнюючим каркасом з мідною сіткою, карбідом бору та бором аморфним, мають коефіцієнт теплопровідності 20...48 Вт/(м·К), при середньотемпературному значенні відповідно 40, 29 та 34 Вт/(м·К), що значно перевищує аналогічні показники колодок типу ТІІР або фірми «BECORIT» 0,8…3,3 Вт/(м·К).

Поставлено й вирішено методом кінцевих різниць теплову задачу нестаціонарного теплообміну в системі “гальмівні колодки – колесо – рейка”. Моделюванням встановлено часов швидкісні характеристики зміни температури у фрикційних і контактних зонах для режимів руху, зупинного і екстреного гальмування в умовах застосування різних гальмівних колодок. Дослідні С-С колодки мають перевагу в порівнянні з композиційними до 20% по всіх термічних показниках. Перегрів поверхні тертя колодка – колесо” у випадку екстреного гальмування на площадці тепловоза ТЕП 150 з початкової швидкості 160 км/год і натисненні на колодку 40 кН при роботі з композиційними колодками отримано на рівні 800°С, для чавунних і фосфористих колодок – 325 і 345°С, а для С-С колодок – 668°С.

Математичне моделювання просторового руху локомотива із составом вагонів без заклинювання коліс, експерименти та пробні поїздки показали, що незалежно від фрикційних умов у контакті коліс із рейками для досягнення однієї й тієї ж величини гальмівного шляху натиснення на С-С колодки має бути у два рази менше, ніж для чавунних колодок. Дійсний гальмівний шлях при розрахунках за методикою ПТР гальмуванні С-С колодками більш ніж у два рази менше, ніж при чавунних колодках, на 8...10% менше, ніж при використанні серійних композиційних колодок.

Розроблено компонентний склад, структуру і засоби виготовлення антифрикційних самозмащувальних композиційних матеріалів на основі капролону В «У» з наповнювачами у вид мінерального масла, дисульфід молібдену й лускатого графіту, що характеризуються низьким і стабільним коефіцієнтом тертя в межах 0,05...0,07 при температурному режимі контактної поверхні тертя в діапазоні до 100°С.

Експериментальними дослідженнями встановлено, що для полімерних накладок на основі капролону достатнім є введення рідкого мастила на поверхню тертя при початковій установці. Зниження моменту тертя в опорних пристроях становить більше 30 % у порівнянні з серійними, що поліпшує умови взаємодії коліс із рейками при русі в кривих і прямих ділянках шляху, зменшує силовий вплив, роботу сил тертя, нтенсивність зношування та підвищує термін служби коліс і рейок.

Розроблено і створено лабораторні, стендові та натурні експериментальні установки з вимірювально-реєструючими комплексами і програмним забезпеченням для проведення комплексних експериментальних досліджень, результати яких дозволили виконати оцінку адекватності теоретичних положень і розроблених математичних моделей реальним процесам у системі “гальмівна колодка - колесо - рейка”, при цьому розбіжність результатів з експериментальними даними не перевищує 15 %.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5