CC BY
55
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ MACTINE BUILDING
AND THEORETICAL ENGINEERING
УДК 625.032.3 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-4-65-72
УСТРАНЕНИЕ ТРИБОТЕРМОПОВРЕЖДЕНИЙ КОЛЕС ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
PREVENTION OF ROLLING STOCK WHEEL THERMO
DAMAGING
© 2015 г. В.В. Шаповалов, А.Л. Озябкин, Э.Э. Фейзов, О.И. Мелешко, А.С. Лавриненко
Шаповалов Владимир Владимирович - профессор, заслуженный деятель науки России, зав. кафедрой «Транспортные машины и триботехника», Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, Россия. Тел. (863)272-62-86. E-mail: tmt@rgups.ru
Озябкин Андрей Львович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Транспортные машины и триботехника», Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: ozyabkin@mail.ru
Фейзов Эмин Эльдарович - аспирант, Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: Eminf@yandex.ru
Мелешко Олег Иванович - доцент, кафедра «Транспортные машины и триботехника», Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: Eminf@yandex.ru
Лавриненко Алексей Сергеевич - инженер, кафедра «Транспортные машины и триботехника», Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: axynea@gmail.com
Shapovalov Vladimir Vladimirovich - professor, Honored Scientist of Russia, head of department «Transport machines and tribotechnics», Rostov State Transport University, Rostov on Don, Russia. Ph. (863)272-62-86. E-mail: tmt@rgups.ru
Ozyabkin Andrey Lvovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Transport Machines and Tribo-technics», Rostov State Transport University, Rostov on Don, Russia. E-mail: ozyabkin@mail.ru
Feizov Emin Eldarovich - post-graduate student, Rostov State Transport University, Rostov on Don, Russia. E-mail: Eminf@ yandex.ru
Meleshko Oleg Ivanovich - assistant professor, department «Transport Machines and Tribotechnics», Rostov State Transport University, Rostov on Don, Russia. E-mail: Eminf@ yandex.ru
Lavrynenko Aleksey Sergeevich - engineer, department «Transport Machines and Tribotechnics», Rostov State Transport University, Rostov on Don, Russia. E-mail: axynea@gmail.com
Расчетным путем определена температура в контакте двух трущихся поверхностей по методике А.В. Чичинадзе. Рассмотрен пример юза колеса по рельсу при башмачном торможении вагонов на сортировочных горках. Разработано техническое решение для устранения «ползунов» в виде противопол-зунной системы ППС-12Д. Разработана методика идентификации триботермодинамических характеристик фрикционного контакта. Произведена оптимизация параметров системы на базе методов физико-математического моделирования, динамического мониторинга. Получен патент на систему ППС-12Д. Результаты подтверждены эффективной эксплуатацией ППС-12Д.
Ключевые слова: термоповреждение; юз; ползун; температура вспышки; объемная температура; поверхностная температура; динамический мониторинг фрикционных систем; физико-математическое моделирование.
The temperature in the contact of two rubbing surfaces was determined by A. V. Chichinadze method. An example of skiding wheels on the rail with shoe brakes of cars on the hump was considered. Technical solutions for eliminating the "slide" PPS-12D system was developed. Methods of identifying tribo-thermo-dynamic characteristics offrictional contact was developed. The optimization of system parameters on the basis of methods of physical and mathematical modeling, dynamic monitoring was produced. A patent for a PPS-12D system was received. Obtained results were confirmed by efficient operation of the PPS-12D system.
Keywords: thermo damaging; skid; slide; flash-point; bulk temperature; surface temperature; dynamic monitoring of frictional systems; physical and mathematical modeling.
Эффективность и надежность применения железнодорожного транспорта на 80 - 90 % определяется характеристиками и работой узлов трения механических систем. Например, потери в системе «колесо -рельс» составляют до 10 - 20 % топливно-энергети-чесих ресурсов, расходуемых на тягу поездов. Надежность и ресурсные характеристики колес и рельсов являются определяющими факторами повышения грузоподъемности вагонов и скорости движения поездов, их веса, нагрузки, снижения эксплуатационных расходов на содержание пути и подвижного состава.
На надежность, увеличение ресурса механических систем и безопасность железнодорожного транспорта влияют: состояние ходовых частей подвижного состава; зазоры в скользунах и буксовых проемах, износ фрикционных гасителей колебаний; снижение демпфирования; состояние элементов пятника - подпятника; износ поверхностей катания и гребней колес, разность диаметров колес и толщин гребней одной колесной пары и др.
Для решения трибологических задач повышения ресурса механических систем на железнодорожном транспорте подлежат исследованию: механо-термохи-мические процессы в контакте колеса и рельса; конструкции экипажной части подвижного состава; конструкции пути; анализ норм содержания ходовых частей подвижного состава и пути; продольная и поперечная динамика поезда; технологии и средства, смазочные материалы для лубрикации зоны контакта гребня колеса и рельса; восстановительные технологии изношенных гребней колес; повышение качества ремонта и текущего содержания ходовых частей подвижного состава и пути; создание и использование полимерных композиционных материалов; трибодиа-гностика и динамический мониторинг; другие направления.
Процессы трения, определяющие соответствующие ресурсные характеристики, сложно и нелинейно зависят более чем от сорока факторов. Были определены факторы, влияющие на ресурс колесных пар железнодорожного подвижного состава, и выявлены наиболее существенные из них.
Факторы, наиболее существенно влияющие на ресурс колесных пар: разность диаметров колес одной колесной пары; величина шероховатостей поверхностей колеса и рельса; наличие двуточечного контакта при движении колеса по рельсу; различная жесткость комплектов рессорного подвешивания на одной тележке; неправильная постановка или неравномерный износ скользунов тележки относительно друг друга; степень износа подвижного состава и пути; разница в значениях профилей колес, связанных со степенью изношенности колеса или рельса (величина пятна контакта пары «колесо - рельс»); наличие больших деформаций шпал и балластного слоя при прохождении подвижного состава; величина угла набегания колесной пары на рельс; соотношение твердостей материалов бандажа колесной пары и рельса; соотно-
шение величин профилей колеса и рельса; внешние погодные условия (наличие влаги, низкая температура и т.д.); наличие и тип активизатора сцепления; условия взаимодействия в системе «тормозная колодка -колесо»; величина направляющего усилия на гребень колеса (силы горизонтального бокового давления); установка подшипников качения или скольжения в тележках подвижного состава; скорость движения подвижного состава; величина коэффициента проскальзывания колеса по рельсу (отношение скорости скольжения Уск к скорости качения колеса по рельсу ¥к); состояние тормозной системы (возможность возникновения двухсторонних «ползунов»); качество металла для колесных пар и наличие дефектов в металле; наличие абразива в зоне контакта пары «колесо -рельс»; наличие и качество демпфирующих связей; наличие смазочного материала в контакте «гребень колеса - боковая поверхность головки рельса»; величина нагрузки на ось колесной пары; значения величин коэффициентов трения качения и трения скольжения колеса; наличие эффективного динамического мониторинга системы «путь - подвижной состав», в частности подсистемы «колесо - рельс».
С помощью метода ранговой корреляции (априорного ранжирования) была установлена весомость каждого фактора с учетом специфики условий эксплуатации подвижного состава. Были использованы знания и опыт ведущих специалистов и ученых в этой области. Обработка информации показала, что максимально влияющими на ресурс колесных пар факторами являются:
1) наличие, тип и способ нанесения модификатора в контакте «колесо - рельс»;
2) образование термомеханических дефектов поверхностей катания колес - «ползунов»;
3) соотношение твердостей материалов бандажа колесной пары и рельса;
4) наличие эффективного динамического мониторинга системы «путь - подвижной состав», в частности подсистемы «колесо - рельс».
Таким образом, одним из ведущих факторов, влияющих на ресурсные характеристики колес и рельсов, является скорость скольжения (от 0 до 100 %, односторонний, двусторонний юз или боксование), определяющая соответствующий износ поверхностей контакта.
Температура, развивающаяся вследствие трения, а также нестационарность процесса скольжения в ряде случаев оказывают заметное влияние на параметры, входящие в математические соотношения соответствующих расчетов. Установление этих закономерностей является одной из задач теории трения сегодняшнего дня. Особенно это важно для фрикционных пар, работающих в режиме торможения, так как режим работы этих устройств отличается резкой нестационарностью, а тепловыделение в ряде случаев таково, что режим работы этих устройств можно назвать теплоимпульсным.
Определим температуру вспышки в процессе торможения колесной пары грузового вагона на неме-
НВ2 = 363х10б1 /i 2, P=125000 H.
Большое количество заданных величин носят
ханизированной сортировочной горке. Пара трения в
экспериментальный характер и требуют определен
тормозе сталь по стали.
Для определения температуры вспышки на микронеровности в контакте «колесо - рельс» воспользуемся выражением (7.49) из работы [1]:
(0, х)="^> "Р'НГТ ■ "У ч/М)
где 9т- (0, х) - соотношение между температурой вспышки (0,х) и объемной температурой ;
Pi =
(42+1)(1-д',л.)^1 V2 (i-a"ö:i),fa;tö \
rihi
С 2/ \ 2 23
л>4
V ЫV1 k<?vi
4v1-1
Г НВ2 Aai ) ^Т v P у
1= 7750 eä/i
^ = 461 Äs/(eä°C), h = 0,1 i, (1 = 311,6 —,
О-а^Ж i
r = 82,3х 10-6 i , h = 5х10-6 i , v = 2,2, h0 =1,
1 ' ' 1max ' 1 ' ' 01 '
ных сложных экспериментальных исследований. При этом, например, фактическая площадь касания может меняться в процессе торможения в десятки - сотни раз, что, соответственно, искажает полученный результат относительно фактических значений.
Подставляя соответствующие значения параметров, входящих в формулы, получаем:
Ш+1)х311,6х 0,1
P1 =-^-х
82,3 х10-6 х 5х10-6
v 2,2х1х0,92/2,2 а" W
=
( 2/ \ 223
3,14х3
у
4х2,2-1
363х 0,004 1 4х2,2
125000
= 0,957;
0,92х 1160000
- = 747 äöaä.
Приведем необходимые заданные величины для расчета 01аи (0,х); 31вя (0,х); ЕА(?=0,92, У^ = 3 1/п,
Жг=1160ёАе, ^ =1 п, А = 0,004 1 2, У1 =
1 Аа1 усА 0,004х 7750 х 461х 0,1 Таким образом,
0^)=^ = 0,957 х
747
Так как температура вспышки (0, х), а также соотношение между температурой вспышки и объемной температурой 0т- (0, х) даются как функции текущего времени процесса торможения, то получим
Расчетная таблица параметров торможения
х
х
X VX ■v/X-X N/Ö-) 01ш (0, х) 91ärn (^Х äöää t = х
0 0 0 1 0 0,0 0
0,05 0,224 0,174 0,975 1,022 763,4 0,05
0,1 0,316 0,216 0,949 1,308 976,9 0,1
0,2 0,447 0,247 0,894 1,586 1184,7 0,2
0,3 0,548 0,248 0,837 1,699 1269,1 0,3
0,4 0,632 0,232 0,775 1,722 1286,3 0,4
0,5 0,707 0,207 0,707 1,681 1255,4 0,5
0,6 0,775 0,175 0,632 1,584 1183,2 0,6
0,7 0,837 0,137 0,548 1,432 1069,4 0,7
0,8 0,894 0,094 0,447 1,212 905,0 0,8
0,9 0,949 0,049 0,316 0,884 659,9 0,9
0,95 0,975 0,025 0,224 0,633 473,1 0,95
1 1 0 0 0 0 1
расчетную таблицу соответствующих значений.
Таким образом, согласно математическим расчетам, противоползунный модуль для исключения образования термоповреждения колеса при сортировке на немеханизированной сортировочной горке должен располагаться через каждые 3 м тормозного пути.
Разработанная теоретическая база А.В. Чичинад-зе [1] включает в себя решение множества важных практических задач, однако решение поставленной нами задачи не дало в полной мере объективных результатов по причине наличия множества нелинейных связей в исследуемой системе и расчетных величин, значения которых получаются экспериментальным путем с соответствующей погрешностью.
Все расчетные формулы являются эмпирическими и имеют весьма узкий диапазон применимости. Так, например, для получения коэффициента Квз нужно провести серию опытов, экспериментов. Расчет проводился для режима торможения нового колеса вагона по новому рельсу. Ввиду того, что входящие в состав расчетных формул параметры меняют свои значения на порядок и более (например, фактическая площадь касания) в зависимости от условий эксплуатации (новый, старый рельс, пустой, полный вагон, положительная, отрицательная температура окружающей среды и т.д.), является проблематичным эффективное решение расчетным путем данной термодинамической задачи.
В итоге математический расчет термодинамических характеристик взаимодействия колес вагонов с рельсами при торможении на немеханизированных сортировочных горках сводится к решению сложного комплекса экспериментальных величин. Приведенные выше значения расчетов применимы для конкретных значений входящих в формулы параметров.
Ясно, что в реальных условиях имеются тысячи вариантов протекания процесса торможения вагонов, при этом произвести расчет каждого из них является весьма затруднительным.
Эксплуатационные испытания противоползунной системы ППС-12Д доказали, что для эффективного торможения на немеханизированной сортировочной горке оптимальное расстояние между противоползун-ными модулями составляет 12 м, при этом гарантированно исключается образование ползунов. Это в свою очередь подтверждает, что решение сложной нелинейной задачи математическим методом является не в достаточной степени эффективным, так как применение метода суперпозиции неприемлемо для данной нелинейной фрикционной системы «колесо - рельс».
Решение данной задачи определения расстояния между противоползунными модулями очень важно. Если расстояние определено неверно и больше предельной длины юза, то возможно образование термопоражения и браковка колесной пары. Если же расстояние меньше критической длины юза, то это влечет за собой установку необоснованного количества
противоползунных модулей и снижает эффективность применяемой технологии.
С целью решения поставленной задачи определения оптимального расстояния между противоползунными модулями, исключающими образование термомеханических повреждений колес железнодорожных вагонов, были произведены лабораторные испытания на базе апробированного метода физико-математического моделирования (ФММ). Разработанная методика ФММ учитывает все факторы, влияющие на процесс, исключает их линеаризацию и позволяет проводить испытания со всем спектром факторов, сопровождающих процесс торможения. Таким образом, был применен метод косвенной оценки условий образования термоповреждений.
Согласно имеющемуся патенту на динамический мониторинг, возможно методом неразрушающего контроля контакта колеса с рельсом с применением анализа АФЧХ, октавного анализа АФЧХ определить в рабочем режиме, что происходит в контакте, в том числе и на фактической площади касания (ФПК) [2].
Задачей проведения лабораторных испытаний является определение предельного состояния контакта колеса с рельсом при движении юзом, предшествующего образованию термоповреждения (ползуна).
В ходе проведения испытаний были записаны трибоспектральные характеристики, которым соответствует процесс образования термоповреждения (схватывание 2-го рода, атермическое схватывание). Были проведены лабораторные испытания с различными внешними характеристиками. Характеристики процесса взаимодействия колеса с рельсом были зафиксированы и оценены с помощью Трибоспектральной идентификации (ТСИ) посредством записи и анализа амплитудно-фазочастотного сигнала. Расчеты показали, что критическая длина юза составляет 12,05 м.
Разработанный алгоритм вычисления максимальных температур контактирующих друг с другом активных микрообъёмов был реализован в программе, которая позволяет диагностировать динамику формирования максимальных контактных температур в режиме реального времени (рис. 1) [2, 3].
Параллельный анализ термодинамики (рис. 1) и трибодинамики (рис. 2) показал, что в начальный момент времени испытаний упругая деформация активных микрообъемов вызывает увеличение коэффициента трения 1 и динамических потерь 2 на трение. В результате теплоотдачи в окружающее пространство и изнашивания поверхностных слоёв коэффициент трения 3 падает, а градиент температуры 4 уменьшается. Максимальная зарегистрированная величина диссипа-тивных потерь 5 наблюдается на 5,56 с эксперимента, что обусловливает термоповреждение 6 на 6,6 с эксперимента, а задержка распространения тепла 7 составляет 1,04 с.
В результате максимальной контактной температуры 6 область фрикционного контакта (ФК) мгновенно охлаждается, а окружающий воздух - нагревается. Это обусловливает изменение вектора градиента температуры, рассчитанное значение температуры вспышки 11 оказывается ниже регистрируемой с помощью термопары объёмной температуры, а на поверхностях контакта устанавливается новая равновесная шероховатость при высоких пластических деформациях, так как упругие свойства фрикционного контакта снижаются (уменьшение регистрируемого коэффициента трения).
Используем взаимную корреляционную функцию (ВКФ) температуры и момента трения (рис. 3) для идентификации термического и атермического схватывания поверхностей трения. Для этого регистрировались значения ВКФ Rq1y при нулевом временном сдвиге (т = 0) и его максимальное значение Я^1у(тах) при переменном временном сдвиге т. Ранее было установлено, что положительная величина ВКФ температуры и момента трения при нулевом временном сдвиге т обусловлена возникновением местных металлических связей, увеличением ФПК и термической пластичностью активных микрообъёмов (одновре-
Рис. 1. Исследование максимальных контактных температур в реальном масштабе времени согласно методике экспериментальной триботермодинамики
Рис. 2. Интегральные оценки (ИО) диссипативной составляющей трения трибосистемы по диапазонам частот, соответствующие рассчитанной модели термодинамики фрикционного контакта (ФК)
менное возрастание упругих свойств ФК и объёмной температуры). Отрицательная величина ВКФ температуры и момента трения при нулевом временном сдвиге х характеризует возникновение локальных металлических связей, вызванных атермической пластичностью.
После регистрации максимальной контактной температуры на 6,6 с эксперимента (рис. 1) ВКФ имеет тенденцию к возрастанию, начиная с 9,4 с (рис. 3), а максимальные значения ИО диссипативной составляющей трения наблюдаются на 8,98 с (8.1 на рис. 2); 9,52 и 13 с (8.2) эксперимента. На базе ранее выдвинутых идентификационных признаков устанавливаем, что с 8,98 по 13 с эксперимента происходит накопление пластических деформаций, обусловленных атер-мическим схватыванием, повышается поверхностная температура, что приводит к неизбежной температуре вспышки 9 (рис. 1). В данном случае термоповреждение развивалось за длительный интервал времени 10, от минимального (0,5 с) до максимального (4,3 с) значений.
После проведения ряда испытаний на машине трения на микроскопе были сфотографированы поверхности контактирования испытуемых образцов
(ролика и колодки) со 100-кратным увеличением. Результаты приведены на рис. 4. На поверхности контактирования тел отчётливо видны следы цветов побежалости металла (для стали колёсной марки 65 Г синий цвет 1 соответствует температуре порядка 700 °С, а красный цвет 2 - порядка 400 °С). Помимо следов цветов побежалости можно рассмотреть на поверхности ролика и колодки следы схватывания материала 3, для стали 65Г, соответствующие температуре порядка 1200 °С.
Разработана методика идентификации экспериментальной триботермодинамики фрикционного контакта, позволяющая по вариациям ИО диссипативной составляющей трения трибосистемы диагностировать возможное образование термоповреждений поверхностей трения. Устанавливая пороговые значения дисперсии ИО, можно также предотвращать аномальные режимы контактирования. Разработанная методика идентификации триботермодинамических характеристик фрикционного контакта открывает перспективу прогнозирования также условий образования двухсторонних ползунов колесных пар железнодорожного подвижного состава, оперативно предупреждая образование критических дефектов.
Рис. 4. Фотографии поверхностей контактирования ролика и колодки
Таким образом, в нашем случае, получив минимальное время трения, при котором начинает происходить термомеханическое повреждение (5...7 с) и зная начальную максимальную скорость движения грузового вагона при его движении с сортировочной горки, найдем максимальное расстояние между разгружающими модулями противоползунной системы (III 1С). Ускорение торможения составляет 0,3 - 0,4 м/с2.
„ _ а12 0,365 X 72 Л =Кг--=3х 7--=12,06 1 .
0 2 2
Получен патент на разработанную противопол-зунную систему ППС-12Д [4]. Настоящее изобретение относится к железнодорожному транспорту и может быть использовано при ручном торможении отцепов на сортировочных горках. Технический результат достигается тем, что система противоползунная со-
стоит из рельса 1 , на котором расположено подбаш-маченное колесо, и разгружающей балки 2, которая контактирует с накладкой 3 по плоскости, имеющей угол наклона +а относительно горизонтальной плоскости (линии горизонта) через упругодемпфирующую связь 4 и опирается через упругий элемент (виброопору) 5 на шпалу 6 (рис. 5). Эффект самоуплотнения системы реализуется за счет контактирования разгружающей балки 2 с накладкой 3 по плоскости, имеющей угол наклона +а относительно горизонтальной плоскости (линии горизонта) и обеспечивает надежность противоползунной системы и ее долговечность. Наличие упругодемпфирующей связи 4 и упругих элементов (виброопор) 5 обеспечивает двухкоорди-натное демпфирование и, следовательно, исключает негативное воздействие разгружающей балки 2 на гребни колес.
1
2
3 4
Линия горизонта
Рис. 5. Противоползунная система ППС-12Д
При взаимодействии гребня подбашмаченного колеса с разгружающей балкой 2 частично разгружается поверхность контакта бандажа подбашмаченного колеса. При этом обеспечивается превышение момента трения неподбашмаченного колеса при взаимодействии его с рельсом над моментом трения подбашма-ченного колеса и проворот колесной пары (рис. 5).
Более чем 4-летний период безотказной эксплуатации противоползунной системы ППС-12Д на путях сортировочной станции подтвердил правильность полученных результатов. Таким образом, решена задача по определению критической длины юза колеса вагона при работе на сортировочных горках с применением башмачного торможения. Разработанная противоползунная система ППС-12Д внедрена и успешно эксплуатируется на сортировочной станции Тихорецкая, полностью исключает вероятность образования термоповреждений колесных пар вагонов в виде односторонних «ползунов».
На текущий момент имеются все необходимые материалы для внедрения противоползунной системы ППС-12Д по всей сети железных дорог холдинга «Российские железные дороги».
Литература
1. Чичинадзе А.В. Расчет и исследование внешнего трения при торможении. М.: Наука, 1967.
2. Пат. РФ, МПК G01N3/56. Способ динамического мониторинга фрикционных мобильных систем / В.В. Шаповалов [и др.]. № 2517946; заявл. 05.04.2012; опубл. 10.06.2014; № 2012113329/28.
3. Озябкин А.Л., Колесников И.В., Харламов П.В. Мониторинг триботермодинамики фрикционного контакта мо-бильнойтрибосистемы // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2012. № 3. С. 25 - 36.
4. Пат. РФ, МПК В61К7/00. Система противоползунная/ В.В.Шаповалов [и др.]. №2522484; заявл. 20.03.2012; опубл. 20.07.2014; № 2012110606/11.
References
1. Chichinadze, A.V. Raschet i issledovanie vneshnego treniya pri tormozhenii [Calculation and research of external friction when braking]. Moscow, Nauka Publ., 1967.
2. Shapovalov V.V. e.a. Sposob dinamicheskogo monitoringa friktsionnykh mobil'nykh system [Way of dynamic monitoring of fictional mobile systems]. Patent RF, no. 2517946, 2014.
3. Ozyabkin A.L., Kolesnikov I.V., Kharlamov P.V. Monitoring tribotermodinamiki friktsionnogo kontakta mobil'noitribosistemy [Monitoring of a tribotermodinamika of frictional contact of a mobilnoytribosistema]. Trenie i smazka v mashinakh i mekhaniz-makh, 2012, no. 3, pp. 25-36. [In Russ.]
4. Shapovalov V.V. e.a. Sistema protivopolzunnaya [System protivopolzunny]. Patent RF, no. 2522484, 2014.
Поступила в редакцию 1 июня 2015 г.
