CC BY
42
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.896 + 06
ДИНАМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ И ОПТИМИЗАЦИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ
АНТИФРИКЦИОННЫХ СИСТЕМ
© 2014 г. В.В. Шаповалов, А.Л. Озябкин, А.М. Ананко, Э.Э. Фейзов
Шаповалов Владимир Владимирович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Транспортные машины и триботехника», Ростовский государственный университет путей сообщения. E-mail: tmt@rgups.ru
Озябкин Андрей Львович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Транспортные машины и триботехника», Ростовский государственный университет путей сообщения. E-mail: ozyabkin@mail. ru
Ананко Анатолий Михайлович - ассистент, кафедра «Транспортные машины и триботехника», Ростовский государственный университет путей сообщения. E-mail: nypotilitailla@yandex.ru
Фейзов Эмин Эльдарович - аспирант, кафедра «Транспортные машины и триботехника», Ростовский государственный университет путей сообщения. E-mail: eminf@yandex.ru
Shapovalov Vladimir Vladimirovich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Transport Machines and Tribotechnics», Rostov State Transport University. E-mail: tmt@rgups.ru
Ozyabkin Andrey Lvovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Transport Machines and Tri-botechnics», Rostov State Transport University. E-mail: ozyabkin@mail. ru
Ananko Anatoly Michaylovich - assistant, department «Transport Machines and Tribotechnics», Rostov State Transport University. E-mail: nypotilitailla@yandex.ru
Feyzov Emin Eldarovich - post-graduate student, department «Transport Machines and Tribotechnics», Rostov State Transport University. E-mail: eminf@yandex.ru
Рассмотрены вопросы повышения требований безопасности движения и надёжности элементов механических подсистем железнодорожного подвижного состава. Показано, что в процессе трения элементов колеса и рельса формируются нелинейные связи, зависящие от большого числа нелинейно-взаимосвязанных факторов, динамических параметров механических подсистем, условий окружающей среды. Для исследования и динамического мониторинга мобильных фрикционных систем используются методы трибоспектральной идентификации и физико-математического моделирования. Показано, что использование системы интегральных оценок амплитудо-фазочастотных характеристик позволяет идентифицировать и прогнозировать состояние фрикционного контакта, его триботермодинамику.
Ключевые слова: динамические фрикционные системы; амплитудо-фазочастотные характеристики; интегральная оценка; трибоспектральная идентификация; прогнозирование; физико-математическое моделирование.
The paper deals with the problems of traffic safety increasing and reliability of the mechanical elements of railway rolling stock subsystems. It is shown that nonlinear relationships depending on a large number of nonlinear inter-related factors, dynamic parameters of mechanical subsystem, environment conditions are formed during the process of wheel and rail elements friction. The methods of of tribospectral monitoring and physical-mathematical modelling are used for research of mobile friction system monitoring. It is shown that the use of system of integrated estimation of amplitude-phase-frequency characteristics (APFC) can identify and predict the state of the frictional contact and its tribothermodynamics.
Keywords: dynamic friction system; amplitude-phase-frequency characteristics;integral estimation; tribospectral identification; forecasting; physical and mathematical modeling.
Проблемы трения и изнашивания в современном технизированном мире занимают все большее место. Актуальность их решения повышается по мере бурного развития машиностроительного производства, повышения скоростей технологических процессов и мощностей силовых агрегатов, устанавливаемых на машинах и механизмах.
Данные задачи особенно актуальны для мобильных фрикционных систем железнодорожного и автомобильного транспорта. Сложность решения вышеназванных задач связана с существенно нелинейной взаимосвязью процессов трения с большим количеством существенных и несущественных факторов, с наличием частых и резких пиков нагрузки на элемен-
ты металлоконструкций и приводов машин, возникающих по причине взаимодействия динамических процессов, протекающих в механической и фрикционных подсистемах. Широко распространенные методы расчета фрикционных систем с использованием коэффициента трения в виде отношения усредненных значений сил трения и нормального давления, учета зависимости сил трения лишь только от знака скорости относительного скольжения контактирующих поверхностей не могут учитывать, а тем более прогнозировать все динамические процессы, возникающие при эксплуатации фрикционных систем. В результате реализации данного подхода возможны следующие два неэффективных варианта:
1) создание машин с завышенной металлоемкостью и в результате этого низкой эффективностью;
2) создание машин с низкой надежностью, из-за возможности возникновения в металлоконструкциях и приводах машин динамических нагрузок, превышающих на порядок расчетные значения.
Одной из важнейших проблем современного машиностроения является задача совершенствования и развития методов динамического мониторинга и оптимизации нелинейных систем. Наиболее распространенными нелинейными системами в области машиностроения являются механические системы с узлами трения. В качестве примера решения задачи по оптимизации условий функционирования фрикционной системы и её динамического мониторинга рассмотрим систему «железнодорожный путь - подвижной состав», в частности её подсистему - контакт гребня колеса с боковой поверхностью головки рельса (рис. 1). От надежности и эффективности данного открытого узла трения (ОУТ) зависит надежность, эффективность, экологические показатели и безопасность эксплуатирования всей системы «железнодорожный путь -подвижной состав (п. - п.с.)» [1].
Открытый узел трения - узел трения, не имеющий конструктивных элементов, изолирующих контактирующие поверхности трения от окружающей среды. Обычно в открытых узлах трения не обеспечиваются условия формирования «масляного клина». Чаще всего открытый узел трения работает в режиме разового смазывания [2].
Так, например, явление «тонкого» гребня недопустимо с точки зрения возможности крушения подвижного состава при разрушении (срезе) гребня. На преодоление так называемого «паразитного» трения гребня колеса о боковую поверхность головки рельса тратится до 10 % тяговой энергии. Нерациональное (неграмотное) смазывание данного ОУТ приводит к резкому ухудшению экологических показателей системы п. - п.с., к сокращению межремонтных сроков при обслуживании ж.д. полотна и балластной призмы.
Нанесение смазочного материала при лубрикации контакта гребень - головка рельса (зона Б) на тяговые поверхности колеса и рельса (зона А) может привести
к крушению подвижного состава при проезде красного сигнала светофора, из-за увеличения величины тормозного пути поезда. Вышеперечисленные и др. негативные моменты обусловливают целесообразность и актуальность решения данной задачи. Корректное и эффективное решение любой триботехниче-ской задачи возможно лишь на базе фундаментальных исследований в области трибологии.
Г2
б
Рис. 1. Схема контакта системы «колесо - рельс»
Решение трибологических задач можно разбить на следующие этапы:
Определение цели (например, снизить до определенных уровней интенсивность изнашивания пар трения и затрат мощности). В нашем случае оптимальным уровнем интенсивности изнашивания (1и) гребней колес является величина 0,1 - 0,2 мм на 10 000 км пробега. Аномальная интенсивность изнашивания ниже данного уровня может привести к развитию усталостных трещин в материале гребня колеса и к его разрушению.
Оптимальным уровнем величины коэффициента трения является величина ^ = 0,1 - 0,15. То есть при Fт < fДFN (рис. 1) может произойти подъем колеса над уровнем рельса и как итог этого сход подвижного состава.
Анализ условий функционирования узла трения. Определяются параметры PV (Р - нагрузка, V - скорость), а также величина диссипации энергии в контакте. Параметр PV определяет величину термостойкости смазочного материала, что в конечном счете определяет и ресурс смазочного материала при его разовом нанесении. Автономно рассматривается диапазон нагрузок Р. Например, при решении вышеназванной задачи уровень контактного давления доходит до уровня пластического деформирования материалов колеса (явление остроко-
нечного наката гребней колёс) и рельса (наплывы на головке рельса). Данным уровням контактных нагрузок отвечают свойства смазочных материалов семейства РАП (разовые антифрикционные покрытия), т.е. высокопластичные твердые смазочные материалы. Данные материалы обладают максимальными уровнями термостойкости (до 180 оС и более - параметр PV), несущей способности (до 3,5 ГПа - параметр P), интенсивности изнашивания (0,15 - 0,2 мм на 10 000 км пробега - параметр 4), коэффициента трения = 0,1 - 0,15 - параметр устойчивости).
Далее решается задача оптимизации способа смазывания (лубрикации) данного узла трения. В нашем случае это ОУТ, подвергающийся воздействию окружающей среды, ветровой нагрузки, центробежных сил, т.е. воздействию атмосферных осадков в виде дождя и (или) снега, температуры окружающей среды (от -60 до +130 оС). Кроме этого у данного ОУТ между антифрикционной зоной гребень - головка рельса (зона Б) с фрикционной зоной А (рис. 1) нет конструктивной границы, которая бы исключала процесс мигрирования смазочного материала из зоны Б в зону А.
Так, например, нерациональное решение задачи по выбору типа смазочного материала и способу его нанесения привело к многомиллионным финансовым потерям (в рублевом эквиваленте) при решении данной задачи системами АГС [3], серийно внедренными на сети дорог МПС СССР - ОАО «РЖД» в 1970 - 2000 гг.
Не учтены были условия работы данного ОУТ и в связи с этим ошибочно использовались жидкие и консистентные смазочные материалы, не выдерживающие параметров PV, P и других, характерных для данного ОУТ. Неграмотно был выбран и способ луб-рикации. Дистанционная подача СМ приводила к замасливанию тяговых поверхностей колеса и рельса и к незначительному позитивному эффекту (снижению интенсивности изнашивания гребней колес и боковой поверхности головки рельса). На основании анализа результатов эксплуатации технологии АГС на сети железных дорог руководством ОАО «РЖД» данная система признана неэффективной. Принято решение о внедрении для лубрикации контакта гребней колес и рельсов стержневых смазочных материалов (РАПС и РАПС НАНОТЕХ) и контактно-рота-принтного способа его нанесения (системы ГРС).
Согласно стратегическому направлению научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г. («Белая книга» ОАО «РЖД») ресурс бандажей колесных пар должен быть не менее 1 млн км.
Как показал анализ данных эксплуатации системы «колесо - рельс» при достижении интенсивности изнашивания U = 0,15 мм / 10 000 км исключаются обточки колесных пар бандажей колесных пар по «тонкому» гребню и реализуется схема обточки по «прокату». При достижении вышеназванной интенсивности изнашивания гребней бандажей колесных пар будет решена одна из задач «Белой книги» ОАО «РЖД» повышения ресурса бандажей локомотивных
колесных пар (1 млн км и более), а также вагонных колесных пар (1,2 млн км и более).
К смазочным материалам и схеме лубрикации предъявляются определенные требования по технологичности, эффективности и практичности при обеспечении соответствующих экологических показателей. Такие свойства, как высокий ресурс разового нанесения, например сохранение антифрикционных свойств смазочного материала после прохода до 40 поездов по смазанному участку железнодорожного пути, исключения замасливания пути и подвижного состава, широкий диапазон температур эксплуатации (от +130 до -60 °С), возможность использования смазочного материала и технологического оборудования на всех существующих скоростных режимах, точность нанесения смазочного материала на поверхности трения при сохранении постоянства его состояния, свойств и состава являются определяющими при выборе оптимальной схемы лубрикации.
Таким образом, в узле трения «гребень колеса - боковая поверхность головки рельса» необходимо использовать смазочный материал с высокими несущими характеристиками, эффективно работающий при контактных нагрузках до 2,5 - 3,0 ГПа (иметь стабильные физико-механические характеристики в температурном диапазоне от +130 до -60 °С). Жидкие и консистентные смазочные материалы в открытых узлах трения не обладают такими характеристиками. Кроме того, жидкий смазочный материал эффективно работает в тех условиях, где возможно образование масляного клина, т.е. в режимах граничного и жидкостного трения (в зубчатых передачах, подшипниках скольжения и т.д.). В открытом узле трения «колесо - рельс» при эксплуатации системы «железнодорожный путь - подвижной состав» реализация таких условий невозможна.
Специалистами РГУПС совместно с СКЖД разработана комплексная концепция развития технологии и технологического оборудования для лубрикации контакта «колесо - рельс» «ГРС-РАПС», реализация которой позволит исключить обточки колесных пар «по тонкому» гребню.
В основе этой концепции лежат контактно-ротапринтный способ нанесения смазочного материала, использование в качестве рабочего оборудования для смазывания боковой поверхности головки рельсов гребней колес рейсового и специализированного подвижного состава, применение разовых антифрикционных покрытий (РАПС), а также широкого спектра приводов подачи смазочных материалов (лубрикаторов) в контакт гребня колеса с рельсом.
«Контактно-ротапринтный способ» лубрикации контакта гребня колеса с рельсом обеспечивает точное, дозированное нанесение смазочного материала на рабочие поверхности узла трения, формирование тонкого антифрикционного слоя (нанопокрытия) с высокими ресурсными характеристиками, исключает необходимость вводить ограничение на скорость движения рельсосмазывающих поездов, обеспечивает реализацию технологии «ГРС-РАПС» путем применения
рейсового подвижного состава в качестве рельсосма-зывающих поездов.
Учитывая широкую номенклатуру подвижного состава, эксплуатируемого на сети дорог ОАО «РЖД» для реализации технологии «ГРС-РАПС», для выполнения решений, принятых на совместном НТС руководства ОАО «РЖД» и НПП «ТТТ», системы ГРС разработаны (адаптированы) для всех типов подвижного состава, в том числе «Ермак», 2ЭС5, 2ЭС6, 2ЭС10, ЭП2К, 2ЭС4, 2ТЭ25 В/И, ЭП1 В/И, ТЭП70 В/И, ТЭМ-18 В/И, 2ТЭ116У, рельсового автобуса РА-2 и МВПС.
Согласно технологии «ГРС-РАПС» смазочный материал контактно-ротапринтным способом наносится на гребень колес с последующим активным переносом на боковые грани головки рельсов. Как было ранее указано, в данном случае лубрикация системы «колесо - рельс» проводится любым типом подвижного состава при любых графиковых скоростных режимах.
В основе технологии «ГРС-РАПС» лежат два базовых принципа:
- создание технических средств лубрикации контакта «колесо - рельс», не имеющих эксплуатационных ограничений по типу базового подвижного состава, скорости движения при нанесении смазочного материала, пределов температурного диапазона и пр.;
- обеспечение на протяжении всего жизненного цикла взаимодействия подвижного состава и железнодорожного пути оптимальных трибологических характеристик в системе «колесо - рельс» путем формирования в зоне фрикционного контакта «колесо - рельс» тонкого анти-фриционного слоя, устойчивого к внешним воздействиям в широком диапазоне эксплуатационных факторов.
Анализ работ по применению различных технологий лубрикации показывает, что практические итоги применения технологии в значительно меньшей степени зависят от профиля пути и грузонапряженности, чем от уровня и качества применяемых технологий. Так, на момент начала работ по применению технологии «ГРС-РАПС» в горных условиях Туапсинской дистанции пути величина износа гребней бандажей колесных пар локомотивов составляла без применения гребнерельсосмазывания в среднем 2 мм/10 000 км пробега. За восемь месяцев эксплуатации системы ГРС 20.05 (позднее ГРС 20.07) средняя удельная интенсивность износа гребней бандажей колесных пар локомотивов ВЛ10 контрольной группы составила 0,3 мм/10 000 км пробега, а локомотивов, оснащенных ГРС, до 0,2 мм/10 000 км пробега (рис. 2).
На равнинных участках пути при использовании бортовых систем лубрикации ГРС на моторвагонном подвижном составе (МВПС) износ уменьшился с 0,25 мм/10 000 км до 0,08 - 0,12 мм /10 000 км пробега.
В период с января 2010 г. по июнь 2011 г. проведены эксплуатационные испытания гребнесмазывате-лей ГРС 20.07 на полигоне Северо-Кавказской железной дороги. В ходе эксплуатационных испытаний контрольной группы локомотивов серии ВЛ80 были получены результаты снижения интенсивности износа гребней бандажей колесных пар:
- в эксплуатационном локомотивном депо Тима-шевская интенсивность износа гребней бандажей колесных пар контрольной группы локомотивов снизилась с 0,35 мм/10 000 км до 0,17 мм/10 000 км пробега (более чем в 2 раза);
Рис. 2. Интенсивность износа гребней бандажей КП локомотивов в ходе сравнительных испытаний в г. Туапсе
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
Январь Февраль Март Апрель Май 1 — ^—2004 год (весь парк -175 ед.) 2 -3 - ^»2005 год (оборудованные грс)
Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь —2005 год (весь парк 175 ед.)
Рис. 3. Сравнительные испытания в г. Пенза
- в эксплуатационном локомотивном депо Сальск интенсивность износа гребней бандажей колесных пар локомотивов снизилась с 0,37 мм/10 000 км до 0,26 мм/10 000 км пробега (на 30 %).
Интенсивность износа гребней колесных пар электровозов депо Пенза в 2005 г. после оснащения их системами ГРС снизилась по сравнению с 2004 г. на 82 %, а ресурс бандажей колесных пар увеличился на 22 % (рис. 3).
Для обработки горловин станций и узлов греб-несмазыватели ГРС устанавливаются на маневровых тепловозах ЧМЭ3 или ТЭМ2 (ГРС 40.05, ГРС 40.02).
Рис. 4. Данные по маневровым локомотивам Северо-Кавказской ж.д.
За период их эксплуатации в 2011 г. на СевероКавказской железной дороге было зафиксировано 194 обточки по износу гребня, что на 13 % меньше по сравнению с аналогичным периодом 2010 г. По причине остроконечного наката снижение обточек составило 9,2 % по сравнению с 2010 г. - 197 обточек против 217 ед. Такие показатели обусловлены увеличением количества установленных систем ГРС 40.05 на 43 %, с 248 ед. в 2010 г. до 353 ед. в 2012 г. При уста-
новке данных гребнесмазывателей на все маневровые тепловозы, используемые на Северо-Кавказской железной дороге, можно добиться максимального снижения количества обточек по причинам износа и остроконечного наката (рис. 4).
Бортовые гребнесмазыватели ГРС стержневого типа имеют следующие преимущества (протокол совещания в Департаменте технической политики ОАО «РЖД», за подписью старшего вице-президента В.А. Гапановича, от 15.06.2011 г.) по сравнению с бортовыми гребнесмазывателями типа АГС форсуночного типа:
1. Устанавливаются на каждую колесную пару, при этом подача смазочного материала на гребень колеса четко ориентирована, и их работа в эксплуатации не зависит от действий локомотивной бригады.
2. Обладают простой конструкцией, обеспечивающей их надежную эксплуатацию, при этом для проведения работ по их техническому обслуживанию и ремонту не требуется специализированного технологического оборудования и заправочных установок.
3. Работоспособность гребнесмазывателей не зависит от скорости движения локомотива, направления и силы ветра, температуры окружающего воздуха.
4. Смазочные материалы, применяемые в греб-несмазывателях ГРС не загрязняют головку рельса и экипаж локомотива.
5. Имеют более низкую стоимость для оборудования одного локомотива и позволяют в 2 - 4 раза снизить расходы на лубрикацию, имея при этом высокие экологические показатели.
При планомерном контроле технического состояния систем ГРС, поддержании работоспособности навесного оборудования и обеспечения его своевременной заправки гарантируется снижение интенсивности износа гребней бандажей до уровня 0,15 -0,2 мм/10 000 км пробега и, соответственно, увеличение ресурса колесных пар и рельсов, а также сокращения расходов топливно-энергетических ресурсов.
0
100 200 зоо 400 500 600 700 —► Время, с Рис. 5. Идентификация разового нанесения ТСМ
Таким образом, внедрение на сети дорог ОАО РЖД ресурсосберегающей технологии ГРС-РАПС с научно-техническим сопровождением и авторским надзором разработчиков (специалистов СКЖД-РГУПС) исключает необходимость обточки колесных пар по «тонкому» гребню (обточки колесных пар по прокату) и увеличения ресурсов колесных пар до 1 млн км и более (локомотивы) и 1,2 млн км и более (вагоны).
Составной частью данной трибологической задачи являются вопросы динамического мониторинга контакта колеса с рельсом. Постоянный контроль трибосистемы исключает реализацию в ней аномальных состояний (атермического или термического схватывания) при реализации режимов сухого трения (без смазочного материала), а также передозировку смазочного материала и замасливание пути и подвижного состава. Кроме этого необходим также входной контроль смазочного материала для исключения подачи в контакт контрафактных смазочных материалов.
Вопросы успешно решены на базе методов три-боспектральной идентификации (ТСИ) процессов, а также методов ФММ [4]. Методы ТСИ позволяют оценить практически все выходные параметры СМ, в том числе и диссипативные свойства пленок СМ и их ресурс, анализировать состав СМ и процентное содержание функциональных присадок, распознать не
только вид СМ, но и соответствие данного СМ его паспортным данным с точки зрения его качеств, кон-трафактности.
В связи с этим предлагается новый проект ГОСТа, разработанный и внесенный для обсуждения и утверждения ФГБОУ ВПО «Ростовским государственным университетом путей сообщения».
Настоящий стандарт распространяется на твёрдые смазочные материалы (ТСМ), применяемые для смазывания трущихся поверхностей, и устанавливает метод определения основных трибологических характеристик ТСМ (рис. 5) [5].
Были проведены сравнительные испытания твёрдых смазочных материалов: РАПС-1, РАПС-2 и РАПС-НАНОТЕХ.
Анализ трибоспектральных характеристик в реальном времени показал, что изменение интегральных оценок диссипации системы в анализируемых наиболее информативных октавных диапазонах частот на величину (их среднего значения либо пик-фактора), превышающую три среднеквадратичных отклонения, соответствует переходу трибосистемы «колесо -рельс» из одного стационарного состояния в другое. При этом нарушается правило трёх сигм в одном частотном диапазоне анализа динамического состояния трибосистемы (от 11,2 до 22,4 Гц) и монотонное возрастание интегральных оценок в частотном диапазоне 5,6 - 11,2 Гц. Из этого факта следует, что изме-
нение триботехнических характеристик смазочного материала отображается в регистрируемых трибос-пектральных характеристиках и их интегральных оценках.
альных научно-исследовательских работ целесообразно образовать расширенный научно-технический совет с привлечением ведущих учёных и специалистов отраслевых ВУЗов.
Выводы:
1. Значительный рост интегральных оценок потерь на трение может служить идентификационным признаком окончания периода смазочного действия и информационным сигналом для систем автоматизированного управления приводом подачи твёрдых смазочных материалов в контакт колёс подвижного состава с рельсами.
2. Результаты выполненных исследований согласуются с существующими методами вибродиагностики, в частности, подшипников качения в редукторах по критической величине пик-фактора. Например, практикой установлены статистические значения критической величины пик-фактора. При изменении величины пик-фактора регистрируемых виброколебаний от 3,5 до 4,5 техническое состояние подшипников качения считается предаварийным, а более 4,5 - аварийным.
3. С целью повышения эффективности и конкурентоспособности ОАО «РЖД», обеспечения условий выполнения постановлений и решений руководства ОАО «РЖД» в области науки, а также выполнения и внедрения в производство результатов наиболее акту-
Поступила в редакцию
Литература
1. Майба И.А., Ананко А.М., Муртазаалиев Р.М. Обзор методов борьбы с шумовым загрязнением от железнодорожного транспорта // Вестн. Донецкой академии автомобильного транспорта. 2012. № 2. С. 53 - 59.
2. Ананко А.М., Фейзов Э.Э., Колесников И.В., Лубя-гов А.М., Выщепан А.Л. Государственный стандарт для твердых смазочных материалов // Железнодорожный транспорт. 2012. № 9. С. 62 - 63.
3. Шаповалов В.В. Технология гребнерельсосмазывания ГРС-РАПС // Сетевая школа. Повышение эффективности технологии лубрикации в системе «колесо - рельс»: сб. докл. Чита, 2010. С. 142 - 155.
4. Озябкин, А.Л. Теоретические основы динамического мониторинга фрикционных мобильных систем // Трение и смазка в машинах и механизмах: науч.-техн. и производств. журн. 2011. № 10. С. 17 - 28.
5. Шаповалов В.В., Майба И.А., Щербак П.Н., Лубягов А.М., Ананко А.М., Фейзов Э.Э. Разработка ГОСТа для проведения входного контроля твердых смазочных материалов, используемых в узлах трения в системе «колесо-рельс» // Вестн. Ростовского государственного университета путей сообщения. 2012. № 1. С. 74 - 77.
3 июня 2014 г.
