CC BY
15
УДК 629.4
Д. О. Емельянов, П. Ю. Иванов, Е. Ю. Дульский
Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС), г. Иркутск, Российская Федерация
ИННОВАЦИОННАЯ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ
В СИСТЕМЕ «КОЛОДКА - КОЛЕСО»
Аннотация. В данной статье были рассмотрены существующие в настоящее время способы определения коэффициента трения скольжения трибологической пары любой инженерно-технической системы. Коэффициент трения является одним из основных параметров, характеризующих работу трибологических пар. Устойчивая и эффективная работа трибологических пар в подобных системах наряду с высокими прочностными и усталостными характеристиками является не только основой безопасности, но и перспективным направлением с точки зрения экономических выгод при проектировании и эксплуатации различных устройств и систем. Соответственно эта область исследования является весьма актуальной для железнодорожной отрасли, в частности, для подвижного состава. Обусловливается это большим количеством пар трения в разных узлах пассажирских и грузовых вагонов, а также локомотивов, обеспечивающих безопасное и бесперебойное движение подвижного состава в целом на железных дорогах. Трибологические процессы важны как непосредственно при осуществлении движения, так и для осуществления бесперебойных процессов торможения. В этом вопросе на первый план выходит фактор определения и анализа коэффициента трения скольжения. Одной из таких пар трения является система «колодка - колесо», представляющая собой исполнительный орган тормозной системы железнодорожного поезда. Оптимизация контакта в этой системе является одним из определяющих факторов роста тормозной эффективности при осуществлении торможения, увеличении рабочего ресурса элементов пары трения, сокращении вероятности возникновения дефектов. Поиск новых подходов к изучению вопросов трения является непосредственным катализатором научно-технического прогресса в инженерной отрасли.
Ключевые слова: Трибологическая пара, коэффициент трения, тормозная эффективность, система «колодка - колесо», инновационная методика, тормозное нажатие, классификация методов, мессдоза, подвижной состав.
Denis O. Emelyanov, Pavel Y. Ivanov, Evgeny Y. Dulsky
Irkutsk State Transport University (IrGUPS), Irkutsk, the Russian Federation
INNOVATIVE METHOD OF DETERMINING THE COEFFICIENT OF FRICTION
IN THE «PAD - WHEEL» SYSTEM
Abstract. In this article, the currently existing methods for determining such a technical parameter as the sliding friction coefficient were considered. The coefficient offriction is one of the main parameters characterizing the operation of tribological pairs of any engineering system. Stable and efficient operation of tribological pairs in such systems, along with high strength andfatigue characteristics, are not only the basis of safety, but also a promising direction in terms of economic benefits in the design and operation of various devices and systems. Accordingly, this area of research is very relevant for the railway industry, andfor railway rolling stock in particular. This is caused by a large number offriction pairs in different nodes ofpassenger andfreight cars, locomotives, ensuring safe and uninterrupted movement of rolling stock as a whole on iron drogs. Tribological processes are important both directly during movement and during braking processes. In this matter, the factor of determining and analyzing the sliding friction coefficient comes to the fore. One of these friction pairs is the «pad-wheel» system, which is the executive body of the braking system of a railway train. Optimization of contact in this system is one of the determining factors for the growth of braking efficiency during braking, increasing the working life of the elements of the friction pair, reducing the likelihood of defects. The search for new approaches to the study offriction issues is a direct catalyst for scientific and technological progress in the engineering industry.
Keywords: Tribological pair, coefficient of friction, braking efficiency, wheel pad system, innovative technique, brake pressing, classification of methods, mesdose, rolling stock.
Одной из основных категорий в аксиоматике механики является сила, приложенная к материальной точке, выражение для которой в виде зависимости от времени, координат точки и ее скорости присутствует в правой части второго закона Ньютона. Эта зависимость обычно
устанавливается экспериментально и является задачей какого-либо раздела физики [13]. История развития подходов к изучению сухого трения, а также формирование фундаментальных основ трибологии как науки представлены в работе В. Ф. Журавлева. В ней рассмотрены закон Кулона, формулировки сухого трения Л.Эйлера с последующей критикой П. Пенлеве сформулированных законов, рассмотрен подход Жуковского к точечному контакту.
Актуальность вопросов трения и по сей день обусловливается сложностью выполняемых измерений, а также неполнотой получаемой картины трибологических процессов, в частности в отрасли железнодорожного транспорта, что является серьезной проблемой при оптимизации трения в различных узлах и системах подвижного состава. Например, применяемая сейчас методология и способ оценки трения при осуществлении торможения подвижным составом позволяют учитывать только скорость движения, материал колодки и силу прижатия тормозной колодки к колесу, что не дает возможности всесторонне описывать контактную картину. Ряд существенных факторов остается неучтенным при применении данного способа, среди таковых отмечаются температура, влажность, наличие третьего тела в зоне контакта, влияние геометрии контактирующих поверхностей и др.
Движение железнодорожного подвижного состава и сопутствующие этому процессы характеризует ряд динамических параметров [1]. Одним из наиболее значимых является трение. Изучением непосредственно вопросов и процессов трения занимается наука «Трибология». Процессы трения в науке подразделяются на трение покоя, движения, скольжения, качения. По условиям контакта принято выделять сухое трение, граничное, жидкостное. Учитывая специфику рассматриваемого вопроса взаимодействия тормозных колодок с колесом подвижного состава на железной дороге, более подробно остановимся на сухом трении скольжения.
Сухое трение-это трение, возникающее при непосредственном соприкосновении двух твердых тел ввиду отсутствия между ними жидкой или газообразной прослойки. Сила трения покоя - сила трения, действующая между двумя телами, неподвижными относительно друг друга.
Методология определения данного коэффициента является одним из значимых разделов указанной науки и включает в себя многообразие способов и методов его расчета. По своей природе этот коэффициент является эмпирическим, соответственно в основе его определения заложен практический эксперимент, результатом которого является определение параметров и зависимос-тей, на основе которых и производится расчет значения коэффициента. Сила трения скольжения же возникает в результате движения тел относительно друг друга.
В общем случае (рисунок 1) сила трения равна произведению коэффициента трения скольжения на силу реакции опоры. При увеличении веса тела и коэффициента трения увеличивается сила трения. Также стоит учесть тот факт, что существенное влияние на силу трения помимо собственного веса тела может оказывать внешнее силовое воздействие, например, прижатие тормозной колодки к колесу.
тг
тр
Рисунок 1 - Распределение сил, действующих на движущееся тело
^тр = ц. • N (1)
Наиболее существенным признаком, по которому классифицируются методы определения коэффициентов трения, является характер идентифицируемого параметра в процессе трения. Существуют параметры, прямо характеризующие возникающие силы и величины, обусловливающие трибологические процессы между парами трения, а также косвенные, которые сопутствуют процессам трения, являются следствием этих процессов, но тем не менее позволяют выстраивать алгебраические зависимости и производить вычисление коэффициента трения математическим путем. На основе этой классификации выделяются прямые и косвенные методы определения коэффициента трения.
В основе первой группы методов заложено прямое измерение контактных нормальных и касательных напряжений с помощью измерительной аппаратуры (точечные мессдозы, торсио-метры и др.), по которым определяют коэффициент трения. Эти методы требуют применения сложной дорогой измерительной техники, которая может быть использована только в лабораторных условиях и не способна воспроизводить в полной мере эксплуатационные условия. На основании результатов и опытной оценки возникающего трения ведутся исследования в области эффективного управления тормозными процессами [2, 3].
Наиболее ярким для понимания примером прямого измерения коэффициента трения в условиях лабораторных испытаний является метод измерения мессдозами, успешно осуществленный Савоськиным А.Н. посредством лабораторной установки (рисунок 2), созданный им и им же запатентованной. Метод посредством изобретенного устройства был осуществлен в 1998 г., и в то время являлся передовым в отрасли. Эксперимент заключался в определении контактных напряжений, возникающих при осуществлении прижатия в колесе колесной пары и колодке посредством мессдоз, силоизмерительных устройств, определяющих возникающие при контакте двух тел напряжения в точке, где предварительно располагалось измерительное устройство.
Рисунок 2 - Схема стенда Савоськина А. Н. для определения коэффициента трения
Несмотря на характерную новизну своего времени рассматриваемый метод не дает полной комплексной оценки изменения коэффициента трения. Основная проблема заключается в том, что измерение контактных напряжений в определенных точках при поверхностном характере взаимодействия лишает возможности получения полной объективной оценки поверхностного трения, что является важным условием в рамках рассмотрения процесса тормозного нажатия колодки на колесо. Причем на характер взаимодействия и пятно контакта также влияют такие эксплуатационные факторы, как профиль пути, кривизна пути, скорость движения и др. [4].
К настоящему времени существуют формулы определения коэффициента трения тормозной колодки о колесо, полученные эмпирическим путем. Формулы были выведены и скорректированы на основе так называемого «метода бросания» (рисунок 3). Метод бросания - это
метод определения тормозного пути, при котором экстренные торможения выполняют путем принудительной отцепки испытываемой единицы железнодорожного подвижного состава от опытного сцепа при его движении с заданной скоростью [5].
V/
V*
vл
Vз
V2
VI
V, км/ч
Рисунок 3 - Метод бросания для определения коэффициента трения тормозных колодок: а - схема выполнения метода бросания; б - график изменения ускорения вагона в зависимости от времени после отпуска вагона; в - график изменения коэффициента трения в зависимости от скорости движения вагона
У данного способа есть ряд характерных недостатков, влияющих на полноту отображаемых зависимостей. Метод бросания производится в режиме экстренного торможения до полной остановки единиц подвижного состава, не позволяя производить торможение в поддерживающем режиме, без полной остановки единиц подвижного состава [6]. Полученные на основе данного метода формулы учитывают только два параметра - скорость движения единицы подвижного состава и силу прижатия колодки. Остаются неучтенными такие параметры, как температура поверхностей трения, влажность поверхностей, геометрия поверхностей и многие другие.
Для композиционных колодок эмпирическая формула имеет вид:
Фк = 0,44
у+150 К+20
2^+150 4К+20
(2)
Для чугунных соответственно:
Фк = 0,6
у+100 16^+100
5^+100 80^+100
(3)
Российский опыт проектирования усовершенствованных тормозных систем для железнодорожного транспорта опирается на эмпирический опыт и современную методологию изучения коэффициента трения. Основной стратегией является модернизация и упрощение механических узлов тормозной системы, в частности, ее механических элементов. В данном контексте следует отметить разработку инновационной тормозной системы инженеров ОАО «Транспневматика» (рисунок 4), которая основывается на отказе от избыточности функций, присутствующей при использовании в составе тормозной системы воздухораспределителя и авторежима в части регулирования давления сжатого воздуха в тормозном цилиндре, а также применении тормозного цилиндра (ТЦ) со встроенным авторегулятором выхода штока [11].
а б
Рисунок 4 - Конструкция инновационной тормозной системы с использованием ТЦ со встроенным авторегулятором выхода штока. Общий вид и расположение элементов: а - схема компоновки элементов усовершенствованной тормозной системы (1 - датчик загрузки вагона, 2 - привод регулятора давления, 3 - тросовый привод); б - тормозной цилиндр со встроенным авторегулятором выхода штока
Помимо разработки инновационных и применения устройств, позволяющих значительно оптимизировать работу тормозной системы поезда в целом, в настоящее время активно ведется изучение зоны контакта в ходе прижатия тормозной колодки к колесу, влияния третьего тела в зоне контакта на характер трения, а также всевозможных способов регулировки температуры в зоне контакта. В качестве третьего тела используют материал, характеризующийся анизотропными свойствами. При этом обеспечивается высокий - не менее 0,3 при продольном крипе и низкий, не более - 0,14 при поперечном крипе коэффициент сцепления. Третье тело может быть в виде металла (А1, 2п, Си) или его окислов (А12О3, 2пО, СиО). В зоне трения происходят процессы создания динамического воздействия на фрикционную систему в виде внешних, собственных колебаний или фрикционных автоколебаний контактирующих микро- и макрошероховатостей. Кроме того, могут происходить процессы подавления собственных колебаний, контактирующих микро- и макрошероховатостей, а также изменяется суммарная контактная жесткость при изменении направления относительного скольжения поверхностей трения.
Зарубежный опыт изучения вопросов трения в тормозных системах также рассматривает всевозможные пути регулировки температуры в зоне контакта трибологической пары, применение специальных перфорированных вставок, теплоотводящих материалов, использование прокладок с охлаждающими ребрами и с самовентилируемыми тормозными дисками (рисунки 5, 6).
а б в
Рисунок 5 - Внешний вид вентилируемых тормозных элементов, используемых на зарубежном железнодорожном транспорте: а, б - вентилируемые тормозные дисковые элементы; в - накладки с ребрами вентиляции
а б в
Рисунок 6 - Технические решения для снижения энергозатрат высокоскоростных поездов: а - схема вентиляции тормозных дисков; б - график зависимости температуры тормозных элементов от угла
каналов обдува; в - схема каналов для подачи воздуха
На основании проведенного анализа работ зарубежных исследователей можно сделать вывод о том, что наиболее широко используемым способом стабилизации температуры является выполнение диска с вентиляционными каналами. Конструкция дисков с вентиляционными каналами улучшает тормозной эффект, но в то же время увеличивает сопротивление движению поезда, что является негативным фактором.
Предлагаемая исследователями процедура обработки результатов экспериментов основывается на переводе вербальных переменных в количественную оценку и определение степени соответствия экспертных заключений, т.е. вычисление ранга корреляции по методу Спирмена. Обязательным условием применения методов ранговой корреляции для ранжированных данных является то, что количество рангов должно быть равно количеству методов исследования, после чего производится экспертная оценка результатов в Excel.
Как следствие, можно отметить малое количество методик и технологий по оценке непосредственно характера процесса трения и его природы при разработке инновационных тормозных систем и технических решений. В связи с этим авторами был разработан и предложен «Способ определения коэффициента трения трибологической пары по потребляемой электрической мощности электропривода», который относится к области механических испытаний материалов трибологического характера, в частности, к определению коэффициента трения скольжения.
Задачей предлагаемого способа является комплексная оценка силового взаимодействия с последующим определением коэффициента трения при различных условиях трения и параметрах трущихся пар [7]. Опытные исследования образцов трущихся пар могут осуществляться с учетом ряда таких факторов, как температура, скорость скольжения, сила прижатия, геометрия - радиус вращающейся детали, площадь контакта, форма трущихся тел, условия охлаждения трущихся деталей, материал, наличие третьего тела в зоне контакта - влажность поверхностей, запыление, загрязнение, твердость материала, химического состава трущейся пары. Зависимости, полученные экспериментально, могут анализироваться на предмет корреляции и аппроксимироваться [8].
В основе предложенной методики определения коэффициента трения лежат общие принципы определения тормозных сил (рисунок 7).
Согласно известной формуле сила трения трибологической пары определяется по формуле:
В = К • <рк , (4)
где К - сила прижатия фрикционной накладки к телу вращения;
<рк - коэффициент трения скольжения фрикционной накладки по телу вращения.
Выразив моменты, возникающие от приведения во вращение тела через потребляемую приводом мощность, а также при прижатии тормозной колодки к колесу, получим:
Мв = 9,55 -,
п
где Р - мощность, потребляемая электроприводом; п - количество оборотов в минуту.
(5)
60
9,55 - сопй, переводной коэффициент (9,55 = —)
Рисунок 7 - Распределение сил при осуществлении прижатия тормозной колодки к колесу
в ходе движения колеса со скоростью V
Известно также, что возникающий момент можно найти по уравнению:
Мт = В ■ гк,
(6)
где В - тормозная сила (4), возникающая в трибологической паре; гк - радиус тела вращения.
Записав условие возникновения трения при постоянной скорости вращения тела через равенство противоположно направленных моментов, создаваемых асинхронным приводом (5), а также прижатием фрикционной накладки (6), согласно новому способу получим математическую формулу для определения коэффициента трения скольжения:
<Рк = 9,55
1,73-1-и-соз ф-л К-Гк-п '
(7)
где I - ток, потребляемый из сети; и - напряжение в сети; соБф - коэффициент мощности; г\ - КПД привода;
К - сила прижатия фрикционной накладки к телу вращения;
гк - радиус тела вращения;
п - количество оборотов в минуту;
1,73 - коэффициент для расчета в трехфазной сети (^3).
Основополагающая особенность данного способа определения и оценки коэффициента трения согласно предложенной формуле заключается в возможности учесть обобщенный коэффициент трения непосредственно по всей поверхности контакта, исключая возможность появления выпадающих точек в ходе получения контактной кривой. Сущность и новизна способа состоит в измерении и оценке косвенных параметров контактного процесса, нежели непосредственных трибологических величин, которые в настоящее время существующие
методики предлагают определять исключительно в определенных точках. Универсальность предлагаемого метода заключается в возможности использовать различные тела вращения в ходе эксперимента (колесо, каток, барабан и др.), изменяя их характеристики и условия взаимодействия, включая случаи наличия третьего тела в зоне трения, а также комбинировать их с разными фрикционными накладками, экспериментальными образцами реальных тормозных систем.
Результатом будет являться комплексная оценка коэффициента трения трибологической пары, которая позволит исключить вероятность получения выпадающих значений в ходе определения коэффициента трения относительно различных точек контакта поверхности, и отслеживать общий характер изменения коэффициента трения по всей поверхности контакта с учетом различных факторов, влияющих на процесс трения. Универсальность рассматриваемого метода позволит применять его в различных отраслях при поиске решений по оптимизации трибологических взаимодействий.
Основополагающие особенности данного способа определения и оценки коэффициента трения:
возможность учесть обобщенный коэффициент трения непосредственно по всей поверхности контакта;
исключение вероятности появления выпадающих точек в ходе получения контактной кривой;
высокая мощность и силовые характеристики, реализуемые предлагаемым устройством в отличие от существующих ныне аналогов;
характерная простота метода и устройства, позволяющего реализовать предложенный метод;
удобство корреляции полученных в результате непрерывного контроля зависимостей;
возможность имитировать различные условия, возникающие в ходе осуществления прижатия колодки к колесу с последующей корректировкой и уточнением предлагаемой методики.
В основе предложенной методики определения коэффициента трения лежат общие принципы определения тормозных сил [9], а также достигнутые принципиально новые возможности, которые позволит реализовать устройство, разработанное и сконструированное авторами для реализации предлагаемого метода (рисунок 8).
Мв
Рисунок 8 - Функциональная схема устройства для реализации методики по определению коэффициента трения: 1 - измерительные системы; 2 - асинхронный электропривод; 3 - редуктор; 4 - цилиндрический образец; 5 - подвесной груз; 6 - системы рычагов; 7 - блок; 8 - прижимной образец
Конструктивное исполнение устройства «Стенд для исследования параметров тормозного нажатия колодки на колесо» (рисунок 9) позволяет задавать различную скорость вращения
колесной пары от асинхронного привода посредством переключаемого многоступенчатого редуктора. Нагрузочное устройство представляет собой силовую опорную стойку с двумя усиленными осями, на которых закрепляются рычаги с передаточным отношением 1:5. С одной стороны рычаг нагружается тросом через блоки, натянутым под действием силы веса грузов, а с другой стороны на рычаг закрепляется башмак. В башмак устанавливается тормозная колодка, геометрически идентичная кругу катания колесной пары. С учетом размещения оборудования спроектировано основание, удовлетворяющее условиям надежной фиксации всех узлов конструкции с целью минимизации вибрации при работе стенда. Процесс фиксации выходных данных осуществляется посредством комплекса электроизмерительного и термометрического оборудования.
Рисунок 9 - Схема стенд для исследования параметров тормозного нажатия колодки на колесо: 1 - асинхронный привод; 2 - муфта электродвигателя; 3 - коробка передач; 4 -многоступенчатый редуктор; 5 - колесная пара; 6 - стойки для колесной пары; 7 - бетонный груз; 8 - система блоков; 9 - стойки для грузов; 10 - башмак; 11 - тормозная колодка; 12 - рычаг, 13 - измерительные системы; 14 - блок фиксации и контроля
измеряемых параметров; 15 - система обдува
Основой для реализации предложенной методики является сконструированное представленное выше устройство.
Задачей предлагаемого устройства является возможность оценивать усилие прижатия колодки к колесу по всей поверхности, учитывая при этом влияние всевозможных факторов, с последующим определением коэффициента трения, значительное упрощение конструкции в сравнении с аналогами и повышение мощностей и нагрузок, реализуемых устройством [10].
Необходимый результат достигается за счет использования стенда для исследования параметров тормозного прижатия колодки к колесу, который содержит механизм создания трения между двумя расположенными друг над другом элементами. Нижний элемент приводят во вращение двигателем, а верхний элемент подвергают прижатию к нижнему элементу. Отличается предлагаемое устройство тем, что содержит следующие узлы:
узел вращения колесной пары, включающий в себя асинхронный привод, который через муфту электродвигателя, соединенную с коробкой передач, взаимодействует с многоскоростным редуктором и приводит во вращение колесную пару, установленную на специальных стойках;
узел прижатия тормозных колодок, в котором под действием веса переменного груза через систему блоков, закрепленных на стойке, приводят в действие башмаки с тормозными колодками, установленные на специальных рычагах, тем самым осуществляя регулируемое тормозное прижатие;
узел охлаждения зоны контакта при помощи системы обдува, при этом параметры контролируются электроизмерительными и теплоизмерительными устройствами в ходе чего осуществляются их автоматизированное снятие и контроль блоком фиксации и контроля.
Стенд является максимально возможным приближением к реальной системе «колесная пара - колодка» в ходе ее эксплуатации (рисунок 10). Вибрационный фон в ходе проведения эксперимента является естественным и не учитывается в ходе опытных испытаний по аналогии с применяющейся на железнодорожном транспорте методикой.
Рисунок 10 - Внешний вид стенда для исследования параметров тормозного нажатия колодки на колесо
Предварительный порядок работы устройства по проведению эксперимента:
1) в башмаки устанавливаются предлагаемые к испытанию сменные тормозные колодки;
2) при помощи асинхронного привода, установленного на специальном постаменте, задается скорость вращения колесной пары, которая находится на специальной стойке. Вращение колесной пары осуществляется через муфту электродвигателя, коробку передач и многоступенчатый редуктор;
3) производятся замер и фиксация параметров асинхронного электродвигателя, осуществляющего вращение колесной пары. Замеры производятся посредством стандартного электротехнического измерительного оборудования по типу амперметра, вольтметра и др.;
4) в ходе вращения колесной пары производится имитация двухстороннего тормозного нажатия колодки на колесо посредством рычагов, установленных на специальных стойках. Рычаги приводятся в действие благодаря натяжению троса, который через систему подвижных блоков соединен с грузами, установленными на специальных опорных дисках;
5) производятся повторный замер и фиксация параметров при осуществлении тормозного нажатия. В ходе осуществления нажатия дополнительно используются пирометры для фиксации температурных явлений в зоне контакта между колесом и колодкой;
6) увеличивая либо уменьшая количество грузов на опорных дисках, производят соответственно увеличение или уменьшение силы тормозного нажатия;
7) выполняются повторный замер и фиксация параметров с учетом изменившейся силы нажатия;
8) при помощи асинхронного привода и коробки передач меняют скорость вращения колесной пары до необходимой величины;
9) производятся очередной замер и фиксация параметров с учетом не только изменившейся силы нажатия, но и скорости вращения колесной пары;
10) после выполнения программы эксперимента и выключения оборудования производим замену испытуемых колодок на другие, отличающиеся по свойствам материала, степени износа и геометрическим параметрам, после чего повторно проводят эксперимент;
11) после фиксации и обработки данных, полученных в ходе экспериментов, а также выполнения математических расчетов согласно предлагаемой формуле производят корреляцию полученных зависимостей. Следствием выполнения расчетов и корреляции обработанных данных будет являться наглядное и полное представление коэффициента трения как в графической, так и в аналитической (цифровой) форме.
На основании изложенного сделаем вывод о том, что данная статья является отправной точкой в долгосрочном исследовании, конечной целью которого является оптимизация трибо-логических процессов в контактной паре «колодка - колесо» железнодорожного подвижного состава, в частности, разработка системы адаптивного управления тормозным нажатием поездов с учетом изменения динамики коэффициента трения в режиме реального времени. В статье рассмотрены применяемые способы определения коэффициента трения, в ходе анализа выявлены недостатки. На основе выполненного анализа авторами разработана и предложена методика определения коэффициента трения, позволяющая устранить выявленные недочеты существующих методов. Для реализации нового метода авторами был разработан и сконструирован испытательный стенд, представленный в статье.
Совокупное использование метода и устройства по его реализации отличается простотой, что является предпосылкой к широкому использованию в научно-исследовательской отрасли. Результаты исследований станут основой для поиска оптимальных решений и алгоритмов по обеспечению наибольшей эффективности тормозного нажатия с учетом совокупности различных параметров и их изменения во времени в процессе торможения. Данная методика будет скорректирована учеными-исследователями в ходе проведения экспериментов, опытных испытаний с учетом ряда факторов, непосредственно влияющих на характер изменения коэффициента трения.
Использование инновационных методов и устройств в изучении фундаментальных научных вопросов контактного взаимодействия тел позволит сделать значительный шаг в направлении получения новых научных знаний в этой отрасли, а также на их основе формировать конкретные технические решения, касающиеся, в частности, повышения надежности, экономичности и эффективности использования тормозных систем на железнодорожном транспорте.
Список литературы
1. Мартыненко, Л. В. Оценка динамических параметров, возникающих в колесных парах тележки грузового вагона при прохождении кривых участков пути / Л. В. Мартыненко, Д. О. Емельянов. - Текст : непосредственный // Молодая наука Сибири. - 2021. - № 1 (11). -С. 65-71.
2. Дульский, Е. Ю. Существующие способы управления тормозным нажатием пассажирского подвижного состава / Е. Ю. Дульский, А. А. Корсун, Д. О. Емельянов. -Текст : непосредственный // Научные междисциплинарные исследования: сборник статей междунар. науч.-практ. конф. - Москва : КДУ, Добросвет, 2021. - С. 20-27.
3. Иванов, П. Ю. Существующие способы управления тормозным нажатием с повышенной эффективностью / П. Ю. Иванов, А. А. Корсун, Д. О. Емельянов. - Текст : непосредственный // Научные междисциплинарные исследования : сборник статей междунар. науч.-практ. конф. - Москва : КДУ, Добросвет, 2021. - С. 28-36.
4. Емельянов, Д. О. Анализ развития дефектов на поверхности катания грузовых вагонов в пути следования от места погрузки до места выгрузки / Д. О. Емельянов, Л. В. Марты-ненко. - Текст : непосредственный // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2021. - № 3 (71). - С. 67-75.
5. Математическая модель работы тормозной системы поезда в процессе торможения с учетом динамики коэффициента трения колодки о колесо и сцепления с рельсом в компьютерной среде / А. А. Корсун, П. Ю. Иванов, С. П. Круглов [и др.]. - Текст : непосредственный //
Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. - 2022. - № 2 (86). -С. 104-113.
6. Анализ влияния человеческого фактора на безотказную работу тормозного оборудования поездов / Н. И. Мануилов, П. Ю. Иванов, Е. Ю. Дульский. - Текст : непосредственный // Наука вчера, сегодня, завтра. - 2016. - № 12-2 (34). - С. 48-57.
7. Заявка на изобретение № 2022111793 Российская Федерация от 27.04.22 г. Способ определения коэффициента трения трибологической пары по потребляемой электрической мощности электропривода / Дульский Е. Ю., Емельянов Д. О., Иванов П. Ю. и др.; заявитель ФГБОУ ВО ИрГУПС. - Текст : непосредственный.
8. Иванов, П. Ю. Причины самопроизвольного срабатывания автотормозов в грузовых поездах / П. Ю. Иванов, Н. И. Мануилов, Е. Ю. Дульский. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2017. - № 2 (30). - С. 17-25.
9. Мануилов, Н. И. Моделирование работы резиновых уплотнений тормозной сети подвижного состава в условиях низких температур / Н. И. Мануилов, П. Ю. Иванов, Е. Ю. Дульский. - Текст : непосредственный // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2017. - № 3 (55). - С. 112-119.
10. Заявка на изобретение № 2022118561 Российская Федерация от 06.07.22 г. Стенд для исследования параметров тормозного прижатия колодки к колесу / Дульский Е. Ю., Емельянов Д. О., Иванов П. Ю. и др. ; заявитель ФГБОУ ВО ИрГУПС. - Текст : непосредственный.
11. Старостин, С. С. Новые подходы к проектированию инновационных тормозных систем грузовых вагонов / С. С. Старостин, Е. С. Сипягин. - Текст : непосредственный // Транспорт Российской Федерации. - 2014. - № 3 (52). - С. 36-39.
12. Карвацкий, Б. Л. Общая теория автотормозов : учебное пособие / Б. Л. Карвацкий. -Москва : Трансжелдориздат, 1947. - 300 с. - Текст : непосредственный.
13. Журавлев, В. Ф. К истории закона сухого трения / В. Ф. Журавлев. - Текст : непосредственный // Доклады академии наук. - 2010. - Т. 433. - № 1. - С. 46-47.
References
1. Martynenko L.V., Emel'ianov D.O. Evaluation of dynamic parameters arising in the wheel pairs of a freight car trolley during the passage of curved sections of the track. Molodaia nauka Sibiri - Young Science of Siberia, 2021, no. 1(11), pp. 65-71 (In Russian).
2. Dul'skii E.Iu., Korsun A.A., Emel'ianov D.O. [Existing methods of controlling the braking pressure of passenger rolling stock]. Nauchnye mezhdistsiplinarnye issledovaniia: sbornik statei mezhdu-narodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii [Scientific interdisciplinary research: collection of articles of the international scientific and practical conference]. Moscow, 2021, pp. 20-27 (In Russian).
3. Ivanov P.Iu., Korsun A.A., Emel'ianov D.O. [Existing methods of brake pressure control with increased efficiency]. Nauchnye mezhdistsiplinarnye issledovaniia: sbornik statei mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii [Scientific interdisciplinary research: collection of articles of the international scientific and practical conference]. Moscow, 2021, pp. 28-36 (In Russian).
4. Semenov A.P., Lakin I.K., Khromov I.Iu. Information entropy of locomotive technical diagnostics systems. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie - Modern technologies. System analysis. Modeling, 2020, no. 3(67), pp. 42-53 (In Russian).
5. Korsun A.A., Ivanov P.Iu., Kruglov S.P. and others. A mathematical model of the operation of the train's braking system during braking, taking into account the dynamics of the friction coefficient of the pad on the wheel and the coupling with the rail in a computer environment. Vestnik Ros-tovskogo gosudarstvennogo universiteta putei soobshcheniia - Bulletin of the Rostov State University of Railways, 2022, no. 2(86), pp. 104-113 (In Russian).
6. Manuilov N.I., Ivanov P.Iu., Dul'skii E.Iu. Analysis of the influence of the human factor on the trouble-free operation of train braking equipment. Nauka vchera, segodnia, zavtra - Science yesterday, today, tomorrow, 2016, no. 12-2(34), pp. 48-57 (In Russian).
7. Dul'skii E.Iu., Emel'ianov D.O., Ivanov P.Iu. and others. Application for invention No. 2022111793, 27.04.2022.
8. Ivanov P.Iu., Manuilov N.I., Dul'skii E.Iu. The reasons of spontaneous operation of autobrakes in freight trains. Izvestiia Transsiba - The Journal of Transsib Railway Studies, 2017, no. 2(30), pp. 17-25 (In Russian).
9. Manuilov N.I., Ivanov P.Iu., Dul'skii E.Iu. Simulation of the operation of rubber seals of the rolling stock brake network at low temperatures. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modeliro-vanie - Modern technologies. System analysis. Modeling, 2017, no. 3(55), pp. 112-119 (In Russian).
10. Dul'skii E.Iu., Emel'ianov D.O., Ivanov P.Iu. and others. Application for invention No. 2022118561, 06.07.2022.
11. Starostin S.S., Sipiagin E.S. New approaches to the design of innovative braking systems of freight cars. Transport Rossiiskoi Federatsii - Transport of the Russian Federation, 2014, no. 3(52), pp. 36-39 (In Russian).
12. Karvatskii B.L. Obshchaia teoriia avtotormozov: uchebnoe posobie [General theory of auto brakes: textbook]. Moscow, Transzheldorizdat Publ., 1947, 300 p. (In Russian).
13. Zhuravlev V.F. On the history of the Law of dry friction. Doklady akademii nauk- Reports of the Academy of Sciences, 2010, vol. 433, no. 1, pp. 46-47 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Емельянов Денис Олегович
Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС).
Чернышевского ул., д. 15, г. Иркутск, 664074, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство», ИрГУПС.
Тел.: 8-950-051-56-53.
E-mail: emelyanovdenis1995@mail.ru
Иванов Павел Юрьевич
Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС).
Чернышевского ул., д. 15, г. Иркутск, 664074, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электроподвижной состав», ИрГУПС.
Тел.: 8-950-065-21-77.
E-mail: p_ivanov@ ssdigit.ru
Дульский Евгений Юрьевич
Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС).
Чернышевского ул., д. 15, г. Иркутск, 664074, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство», ИрГУПС.
ГАУ ДО ИО «Центр развития дополнительного образования детей». Детский технопарк «Кванто-риум Байкал»
Сергеева ул., д. 5/6, г. Иркутск, 664043, Российская Федерация.
Педагог дополнительного образования.
Тел.: 8-983-403-46-43.
E-mail: e_dulskiy@ssdigit.ru
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Emelyanov Denis Olegovich
Irkutsk State Transport University (IrGUPS).
15, Chernyshevsky st., Irkutsk, 664074, the Russian Federation.
Postgraduate student of the department «Railcars and wagon facilities», IrGUPS.
Phone: 8-950-051-56-53.
E-mail: emelyanovdenis1995@mail.ru
Ivanov Pavel Yuryevich
Irkutsk State Transport University (IrGUPS).
15, Chernyshevsky st., Irkutsk, 664074, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, Docent, associate professor of the department «Electric rolling stock».
Phone: 8-950-065-21-77.
E-mail: p_ivanov@ ssdigit.ru
Dulsky Evgeny Yuryevich
Irkutsk State Transport University (IrGUPS).
15, Chernyshevsky st., Irkutsk, 664074, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, Docent, associate professor of the department «Railcars and wagon facilities», IrGUPS.
GAU DO IO «Center for the development of additional Education of children» Children's Technopark «Quantum Baikal»
Sergeeva str., 5/6, Irkutsk, 664043, the Russian Federation.
Teacher of additional education.
Phone: 8-983-403-46-43.
E-mail: e_dulskiy@ssdigit.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Емельянов, Д. О. Инновационная методика определения коэффициента трения в системе «колодка -колесо» / Д. О. Емельянов, П. Ю. Иванов, Е. Ю. Дульс-кий. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2022. - № 3 (51). - С. 99 - 112.
УДК 21. 332. 015: 629. 423. 1
Emelyanov DO., Ivanov P.Yu., Dulsky E.Yu. Innovative method of determining the coefficient of friction in the «pad - wheel» system. Journal of Transsib Railway Studies, 2022, no. 3 (51), pp. 99-112 (In Russian).
С. И. Макашева1, П. С. Пинчуков1, О. В. Мельниченко2
Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС), г. Хабаровск, Российская Федерация;
2Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС), г. Иркутск, Российская Федерация
ОЦЕНКА ПОТЕРЬ НАПРЯЖЕНИЯ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПРИ РАБОТЕ ЭЛЕКТРОВОЗОВ С ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ НА БАЗЕ ТИРИСТОРОВ И IGBT-ТРАНЗИСТОРОВ
Аннотация. Статья посвящена исследованию эффективности применения новых выпрямительно-инвер-торных преобразователей электровозов переменного тока с коллекторным тяговым приводом. Рассмотрены аспекты организации тяжеловесного движения по электрифицированным железным дорогам Сибири и Дальнего Востока России с учетом обеспечения пропускной и провозной способности. Отмечается, что задача обеспечения пропускной и провозной способности электрифицированных участков железных дорог по устройствам электроснабжения в значительной мере зависит от величины напряжения в контактной сети.
Предметами исследования являются параметры системы тягового электроснабжения 25 кВ, 50 Гц при работе электровозов с выпрямительно-инверторными преобразователями на базе тиристоров и IGBT-транзис-торов. Для сравнительной оценки эффективности применения электровозов с выпрямительно-инверторными преобразователями на базе IGBT-транзисторов относительно параметров существующих электровозов с выпрямительно-инверторными преобразователями на базе тиристоров выполняется количественная оценка уровня напряжения, токов и потерь напряжения в тяговой сети переменного тока. Произведен анализ осциллограмм кривых тока и напряжения тиристорного и IGBT-транзисторного выпрямительно-инверторных преобразователей.
Для сравнительной оценки предложено использовать коэффициент подобия кривых тока электровозов с различными типами выпрямительно-инверторных преобразователей, рассчитанный методом эквивалентной синусоиды. Построение векторных диаграмм токов и напряжений в контрольных точках системы тягового электроснабжения переменного тока выполнялось при помощи графоаналитического метода, в результате рассчитаны напряжения и потери напряжения в контрольных точках тяговой сети. Численно доказывается, что электровозы с новыми выпрямительно-инверторными преобразователями на базе IGBT-транзисторов имеют в три раза меньшие суммарные потери напряжения в тяговой сети по сравнению с аналогичными показателями работы тиристорного преобразователя.
Ключевые слова: выпрямительно-инверторный преобразователь, электровоз, IGBT-транзистор, коэффициент мощности, потери напряжения.
Svetlana I. Makasheva1, Pavel S. Pinchukov1, Oleg V. Mel'nichenko2
!Far Eastern State Transport University (FESTU), Khabarovsk, the Russian Federation;
2Irkutsk State Transport University (IrSTU), Irkutsk, the Russian Federation
ASSESSMENT OF VOLTAGE LOSSES IN THE AC TRACTION NETWORK FOR TWO DIFFERENT TYPES OF THE LOCOMOTIVE'S RECTIFIER-INVERTER CONVERTERS: ON THYRISTORS OR IGBT-TRANSISTORS
Abstract. The paper deals with benefits of a new rectifier-inverter converter of an electric locomotive based on IGBT-transistors. Main directions of heavy haul traffic's development are considered for Siberia and Russian Far East electrified railways. Throughput and carrying capacity of power supply devices extremely depends on the voltage level in the catenary network of electrified sections of railways.
Objects of our research are electric parameters of the 25 kV, 50 Hz AC traction power supply system. Operation parameters of two different types of the electric locomotive's rectifier-inverter converters are calculated and discussed. We investigated operation parameters for thyristor-based and IGBT-transistors- based rectifier-inverter converter.
