CC BY
84
Кузнецова Виктория Николаевна - доктор ция рабочих органов землеройных и землеройно-
технических наук, доцент, профессор кафедры транспортных машин. Общее количество опуб-«ЭСМиК» Сибирской государственной автомо- ликованных работ: более 90. E-mail: бильно-дорожной академии (СибАДИ). Основные [email protected] направления научной деятельности: Оптимиза-
УДК 629.46
ДИНАМИКА ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ТОРМОЖЕНИЯ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ
Ю. И. Матяш, Ю.М. Сосновский, А. В. Колтышкин, Д. В. Колосов
Аннотация. В данной статье рассмотрены физические основы динамики тепловых процессов при различных режимах торможения грузовых вагонов, выведена закономерность рассеяния тепловой энергии, выделяемой при теплопроводности, конвекции и тепловом излучении, обозначены направления решения проблемы перегрева системы колесо-тормозная колодка.
Ключевые слова: колесо, композиционная тормозная колодка, грузовой вагон, тепловые процессы.
Введение
Железнодорожный транспорт России выполняет более 85 % грузооборота в системе транспорта общего пользования. Российские железные дороги являются второй по величине транспортной системой мира, уступая по общей длине эксплуатационных путей лишь США. По протяжённости электрифицированных магистралей российские железные дороги занимают первое место в мире. На основании распоряжения правительства РФ №877-з от 17 июня 2008 г. ОАО РЖД [1] была утверждена «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г.», в которой особое внимание направлено на «повышение безопасности железнодорожных перевозок».
Повышение уровня безопасности напрямую связано с системой торможения, применяемой в том или ином железнодорожном экипаже. Очевидно, что при увеличении скорости движения поездов, их длины и веса, проблемы, связанные с обеспечением безопасности движения грузовых поездов, значительно усложняются. Это связано, прежде всего, с тем, что количество энергии, которую необходимо рассеивать при торможении, значительно возрастает. Более того, сильный нагрев обода колеса приводит к большим экономическим расходам.
Так, например, по данным отделения автотормозного хозяйства ВНИИЖТ, в режиме остановочного торможения грузового вагона массой брутто 60 т с начальной скоростью 60 км/ч, температура нагрева колес составляет на поверхности катания и на глубине 40 мм от нее соответственно 637 и 570°С [2]. При
таком нагреве изменяются механические свойства материала обода колёс. Предел прочности стали с содержанием углерода 0,42-0,50 % при нагреве до температуры 550°С падает и составляет не более 50% его значения при температуре 20°С. Чередование тормозных нажатий на колодку и отпусков тормозов в условиях эксплуатации вызывает циклические тепловые нагрузки, которые создают знакопеременные деформации, в результате чего на поверхности катания возникают термоусталостные разрушения материала в виде трещин с последующим выкрашиванием.
Для решения данной проблемы необходимо проанализировать механизмы рассеяния тепловой энергии в системе колесо -тормозная колодка, основанные на явлениях теплопроводности, конвективного рассеяния и теплового излучения.
В качестве тормозной колодки в статье рассматривается композиционная тормозная колодка из асбестового материала ТИИР-300 с сетчато-проволочными или металлическими каркасами.
Состав композиции ТИИР-300 по массе, составляет: асбест 15 %, каучук 20 %, барит 47,5 %, сажа 15 %, сера 2,5 %. Композиционный материал ТИИР-303 имеет в своём составе бутадиеновый стереорегулярный каучук СКД, вулканизатор, графит, микропорошок электрокорунда и асбест, т. е. в отличие от ТИИР-300 для повышения теплопроводности барит заменён графитом и электрокорундом. Коэффициент теплопроводности не превышает 3,3 Вт/(мтрад).
Сделаем оценку количества теплоты, выделяющейся при экстренном и служебном режимах торможения грузового вагона.
При заданной начальной скорости грузового поезда 80 км/ч (22,2 м/с) время экстренного торможения Ээ=50 сек., время служебного торможения Эс=59 сек.
Полное служебное торможение - способ торможения, при котором давление в тормозной магистрали (равное 5 Ат) понижается на 1,2 — 1,4 Ат или меньше. Для производства полного служебного торможения ручка крана машиниста ставится в V (служебное) положение и выдерживается так до снижения давления в магистрали на 1,4 Ат. Обычные остановки поездов производят путем ступенчатого торможения.
Ступенчатое служебное торможение выполняют постановкой ручки крана машиниста в V положение с выдержкой в этом положении до снижения давления в уравнительном резервуаре на 0,5—0,6 кгс/см2 с последующим переводом ее в положение VA; после получения необходимой разрядки ручку крана переводят в IV положение.
Повторные ступени торможения производят V положением ручки крана машиниста.
Экстренное торможение - способ торможения, применяемый в исключительных случаях, требующих немедленной остановки поезда, и заключающийся в быстром выпуске воздуха из тормозной магистрали посредством открытия наибольшего окна в кране машиниста. Экстренное торможение происходит также при разрыве поезда, когда междувагонные гибкие рукава тормозной магистрали разъединяются, или при открытии имеющихся в вагонах особых кранов остановки (стоп-кранов). При экстренном торможении происходит наиболее быстрое наполнение тормозных цилиндров во всем поезде. Для производства экстренного торможения ручка крана машиниста ставится в VI положение.
В поездах обычно применяют одну ступень служебного торможения, реже две ступени с последующим отпуском. Полное служебное торможение за один прием выполняют лишь при необходимости остановки поезда или снижения его скорости на более коротком расстоянии, чем при выполнении ступенчатого торможения [3-5].
Основная часть
Масса рассматриваемого 4-осного полувагона с грузом приблизительно равна 100 т.
Для нахождения выделяемой энергии Q при торможении вагона воспользуемся формулой (1): [7]
б = ^ + (1)
где Ак - кинетическая энергия, приходящаяся на одно колесо вагона, Дж; Э - время торможения (экстренное/служебное), сек.; т = 12,5 т - масса грузового вагона, приходящаяся на одно колесо, т; и - начальная скорость поезда перед торможением, м/с; J - момент инерции; ы - угловая скорость движения.
3 = 2 ткК + - Мось^ась ,
(2)
где тк = 391 кг - масса колеса; Rк = 0,4785 м - радиус колеса; тось = 150 кг - масса половины оси; Rocь = 0,09 м - радиус оси.
3 = -391- 0,47852 + -150• 0,092 = 45,36 КГМ2 2 2
Угловую скорость можно представить как:
со = -
и
22,222
(3)
0,4785
= 46,4 С
-1
Тогда получаем:
^ =
12500 • 22,2222 45,36 • 46,42
- 3,1 МДж
22 Таким образом, при торможении грузового вагона на одном колесе выделяется достаточно большое количество энергии - примерно 3,1 МДж.
1. Теплопроводность. Рассмотрим процесс теплопередачи выделяющейся энергии непосредственно колесу без учёта взаимодействия с рельсом. По данным [4] около 5 % энергии отводится через композиционную колодку, а остальные, главным образом, выделяются в поверхностном и нижележащих слоях колеса.
Рис. 1 . Схематичное изображение подвода тепловой энергии О к колесу
Для рассмотрения процесса теплопроводности выделим на поверхности колеса слой толщиной Дх = 5 мм. Такой выбор обусловлен тем, что поверхностный слой за счёт трения нагревается интенсивнее всего. Именно в нём происходят наиболее сущест-
+
венные изменения структуры металла и его разрушение.
Рассмотрим, на сколько градусов нагревается поверхностный слой толщиной 5 мм за одну секунду в начале процесса торможения.
Кинетическую энергию, выделяющуюся при этом можно рассчитать по формуле:
W к =
К . оо .
0,95W„
п
об\ ■
(4)
об
где п0б1 - число оборотов за первую се кунду торможения:
1
Поб\ = T >
Период найдем по формуле:
T = 2tzR
(5)
(6)
где R = 478,5 мм - радиус окружности обода колеса.
Т = °,4795 = 0,135 С 22,222
поб1 = 7,392
об1 0,135
Тормозной путь при экстренном торможении:
s = -
о -и0
2a
Ускорение:
a = -
ип - и
(7)
(8)
22,222 .2 a = —--= 0,444 м/св
s = -
50 22,2222
= 555,5 М
2 • 0,444
Количество оборотов до полной остановки:
П°б = L ■
(9)
где L = 3,007 м - длина поверхности катания колеса.
555,5
поб =-- = 184,9
об 3,007
W. „й =
2978509,814 184,9
7,392 = 119098 Дж/С = 119 кВт
Для поверхностного слоя толщиной Ах = 5 мм: Количество подводимой теплоты: Q= А^; Масса слоя: т0б = 4,04 кг; Теплоёмкость стали: с = 460 Дж/(кгК). Из формулы
Q = стМ , (10)
Разницу температур находим как
Q
дт = -
cm
об
дт =
119098
- 59 К
460 • 4,04
Нагретый слой сам становится источником передачи тепловой энергии в нижележащие слои колеса.
С помощью закона Фурье находим количество отводимой вглубь колеса теплоты.
Закон теплопроводности Фурье:
Qome =-^дТ~ Д , Дх
(11)
где АЭ - время одного оборота колеса в начале торможения;
2яЯ
Д = -
(12)
где R = 478,5 мм - радиус окружности обода колеса.
Т = 2Ж-04795 = 0 с
22,222
Л - коэффициент теплопроводности. Для стали Л = 16 - 26 Вт/(мК2), принимаем Л = 20
Вт/(м К).
Q =-20
58 0,005
0,135 = -31898,535 Дж/с = -32 кВт
Следует заметить, в расчете не учитывается изменение градиента температуры. Нагрев нижнего слоя приведёт к тому, что градиент температуры слоя уменьшится и количество отводимой теплоты тоже уменьшится.
В результате проведённых расчётов видно, что количество подводимого к верхнему слою колеса тепла за одну секунду в начале торможения почти в 4 раза превышает отводимое: Qnod - 4 • Q
orne
2. Конвекция.
Рассмотрим процесс отвода тепла, который происходит под влиянием конвективных потоков. Для расчета потерь тепла конвективным способом воспользуемся законом Ньютона-Рихмана [6]:
Qc =а (tc - )s ,
(13)
где а - коэффициент теплоотдачи. Для свободной конвекции принимается а = 36 Вт/(м2К), для вынужденной а > 15 Вт/(м2К). Примем а = 15 Вт/(м2-К). В нашем случае существенную роль играют воздушные потоки, окружающие колесо [8].
Эс = 359 К - температура нагретой поверхности обода колеса;
Эж = 300 К - температура окружающей среды;
б - площадь поверхности обода колеса.
5 = Lh , (14)
5 = 3,07 • 0,08 = 0,241 м = 15(359 -300)0,241 и 213 Вт
s
Таким образом, при самых благоприятных условиях, рассеяние тепловой энергии вследствие конвективных потоков может составить около 213 Вт за одну секунду, что почти на три порядка меньше тепла, отводимого вследствие теплопроводности.
3. Тепловое излучение.
Тепловое излучение - передача энергии от одних тел к другим в виде электромагнитных волн. Тепловое излучение происходит по всему спектру частот от нуля до бесконечности. Одним из основных законов, описываю-
щих тепловое излучение, является закон Стефана-Больцмана:
Р = еаТ4 , (15)
где е - степень черноты тела; постоянная Стефана-Больцмана а = 5,6710-8 Втм-2К-4; Р - мощность излучения 1 м.кв.
Тогда, принимая степень черноты за единицу и учитывая площадь поверхности нагретого обода (см. формулу 15), получим
Р = 1 • 5,67 • 10~8 • 3944 • 0,241 и 227 Вт Полученные результаты обобщены в таблице 1.
Таблица 1 - Мощность рассеиваемого тепла при различных механизмах теплоотдачи
Вид теплоотдачи Мощность, Вт
Теплопередача (закон Фурье) 32 000,что примерно в 4 раза меньше подводимой мощности к ободу колеса толщиной 5 мм
Конвекция (закон Ньютона - Рихмана) 213,вследствие обдува поверхности обода колеса
Тепловое излучение (закон Стефана - Больцмана) 227,при максимальной степени черноты.
Выводы
Полученные результаты показывают, что наиболее интенсивный нагрев происходит вследствие фрикционного контакта композиционной тормозной колодки и обода колеса. Как было показано выше, теплопроводность композиционной колодки достаточно низкая, поэтому в зоне контакта возникают высокие термические напряжения. Вместе с тем, как показала оценка, наиболее интенсивный, но недостаточный отвод тепла тоже происходит в зоне фрикционного контакта. Рассмотрен режим экстренного торможения. При служебном торможении, очевидно, что интенсивность всех процессов уменьшится.
Особые требования выдвигаются к композиционным тормозным колодкам. Наполнение материала колодки высокотеплопроводными компонентами, при неизменности три-ботехнических характеристик, позволило бы решить ряд проблем, связанных с перегревом обода колеса. Однако, это отдельная, самостоятельная и очень перспективная задача, решение которой возможно в недалёком будущем.
Библиографический список
1. Распоряжение Правительства РФ от 17.06.2008 № № 877-р "О Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года"
2. Асташкевич, Б. М. Исследование эксплуатационных дефектов фрикционного сопряжения тормозной колодки с колесом вагона / Б. М. Асташкевич и др. // Вестник ВНИИЖТ. - 2004.-№ 4.
3. Железнодорожный транспорт: Энциклопедия / Гл. ред. Н. С. Конарев.; М.: Большая Российская энциклопедия, 1994.- 450с.
4. Автоматические тормоза: учеб. для ж/д вузов / В. Г. Иноземцев, В. М. Казаринов, В. Ф. Ясен-цев; утв. Гл. упр. учеб. завед. МПС. - М.: Транспорт, 1981. - 464 с.
5. Теоретические основы проектирования и эксплуатации автотормозов / В. М. Казаринов, В. Г. Иноземцев, В. Ф. Ясенцев. - М.: Транспорт, 1968. - 400 с.
6. Курс физики (том 1). Механика. Основы молекулярной физики и термодинамики: учеб. пособие для втузов. - 4-е изд., перераб. / А. А. Детлаф, Яворский Б. М., Милковская Л. Б.- М.: Высшая школа.- 1973.- 384с.
7. Савельев, И. В. Курс общей физики / И. В. Савельев. - М.: Астрель, ACT.- 2001.- 208 с.
8. Михеев, М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. - Изд. 2-е, стереотип.-М.: Энергия. -1977. - 344с.
DYNAMICS OF THERMAL PROCESSES AT VARIOUS MODES OF FREIGHT CARS BRAKING
Y. I. Matyash, Y. M. Sosnovsky, A. V. Koltyshkin, D. V. Kolosov
Physical basics of dynamics of thermal processes at various modes of freight cars braking, regularity of dispersion of thermal energy at heat conductivity, convection and thermal radiation is emitted, directions of solving the problem of overheat of wheel-brake shoe system defined are covered in this article.
Keywords: wheel, composite brake shoe, freight car, thermal processes.
Bibliographic list
1. The order of the Government of the Russian Federation of 17.06.2008№ № 877-p "About development strategy of the railway transport in the russian federation till 2030"
2. Research of operational defects of frictional interface of a brake shoe with a car wheel / Astashke-vich B.M. // Vestnik VNIIZHT. - 2004.-№ 4.
3. Railway transport: Encyclopedia / Edit. N.S. Konarev.; M.: Big Russian encyclopedia, 1994. - p. 450.
4. Automatic brakes / V. G. Inozemtsev, V. M. Kazari-nov, V. F. Yasentsev. - M.: Transport, 1981. - p. 464.
5. Theoretical bases of design and operation of autobrakes / V. M. Kazarinov, V. G. Inozemtsev, V. F. Yasentsev. - M.: Transport, 1968. - p. 400.
6. Course of physics (volume 1). Mechanics. Fundamentals of molecular physics and thermodynamics. / Detlaf A. A., Yavorskiy B. M., Milkovskaya L. B. - M.: Vysshayz shkola.- 1973.- p.384.
7. Savelev I. V. Course of the general physics, book 5. - M.: Astrel, AST. - 2001. - p.208.
8. Miheev M. A., Miheeva I. M. Heat transfer bases. - M.: Energy. -1977. - p. 344.
Матяш Юрий Иванович - доктор технических наук, профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» Омского государственного университета путей сообщений (ОмГУПС). Направление научных исследований - развитие систем кондиционирования пассажирских вагонов, совершенствование подвижных систем железнодо-
рожного грузового транспорта. Общее количество публикаций 150. e-mail: [email protected]
Сосновский Юрий Михайлович - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Физика и химия» Омского государственного университета путей сообщений (ОмГУПС). Направление научных исследований - физика прочности. Общее количество публикаций 91. e-mail: sosnovskyym@mail. ru
Колтышкин Андрей Валерьевич - студент 5 курса механического факультета Омского государственного университета путей сообщений (ОмГУПС). e-mail: [email protected]
Колосов Даниил Викторович - студент 5 курса механического факультета Омского государственного университета путей сообщений (ОмГУПС). e-mail: [email protected]
УДК 625: 892
ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ОПОРНЫХ КАТКОВ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
С. В. Мельник, Г. А. Голощапов, В. В. Евстифеев
Аннотация. Рассматривается возможность повышения ресурса работы пар трения катков гусеничных машин путем перехода на пластичные смазки с модификаторами. Предложен критерий оптимизации периодичности технического обслуживания по замене смазочного материала при минимальных удельных затратах на поддержании надежности.
Ключевые слова: ресурс, смазочный материал, опорный каток, скорость изнашивания, периодичность, оптимизация технического обслуживания.
Введение
Движители гусеничных тракторов, специальной строительной техники (бульдозеры, экскаваторы, канавокопатели и др.), танков эксплуатируются в экстремальных условиях (высокие удельные силы и динамические знакопеременные нагрузки) практически при постоянном контакте с абразивными частицами сырого грунта. Загрязнения и вода вызывают, в первую очередь, химический и механический износ уплотнительных устройств, а, значит, и раскрытие зазоров между защищаемыми деталями. В зазоры проникает абразив. Это ведет, естественно, к увеличению скорости изнашивания шарниров опорных катков и числа отказов узлов.
Основная часть
Ресурс работы пар трения шарниров опорных катков машин с гусеничным ходовым устройством связан с качеством применяемых смазочных материалов, их способностью не вытекать из полости катка даже в случае отказа уплотнительного устройства. Материалы долж-
ны обеспечивать приемлемую периодичность их замены, снижать абразивное изнашивание деталей подшипников. Указанным требованиям отвечают только пластичные смазочные материалы. Однако подбор пластичных смазок для конкретных условий работы узлов трения требует исследования их эксплуатационных свойств и режимов использования.
Возможность улучшения эксплуатационных свойств смазочных материалов (и в первую очередь - противоизносных) при абразивном износе производят по результатам исследований, проводимых преимущественно на четырех-шариковых машинах трения. Исследования в этой области противоречивы и ограничены, а практические рекомендации по снижению абразивного износа не нашли широкого применения. Отсутствует эффективный метод и оборудование для изучения влияния добавок различной природы на свойства смазочных материалов.
В качестве научной гипотезы исследований приняты теоретические предпосылки со-
