CC BY
15
РУХОМИИ СКЛАД
УДК 621.332.3
Мямлт С.В., д.т.н., професор (ДНУЗТ м. В. Лазаряна) Барановський Д.М., к.т.н., доцент (КНУ м. М. Остроградського)
ОБГРУНТУВАННЯ П1ДВИЩЕННЯ ДОВГОВ1ЧНОСТ1 ДИЗЕЛ1В СПЕЦИАЛЬНОГО САМОХ1ДНОГО РУХОМОГО СКЛАДУ ЗАЛ1ЗНИЦЬ ПРИ ПРИСКОРЕНН1 ПРОЦЕСУ ПРИПРАЦЮВАННЯ
Вступ. Спецiальний самохiдний рухомий склад (ССРС) займае одне з головних мюць на залiзницi, який постшно повинен бути у r0T0BH0CTi [1]. Для забезпечення останнього необхщно мати висок показники надiйностi i довговiчностi ïx дизелiв, на якi, значний вплив здшснюють процеси припрацювання на етапах введення ССРС в експлуатацш та шсля КР.
Процес зносу трибосистем (ТС) дизелiв звичайно вщбуваеться в три стадiï [2]. На першш стадiï здiйснюеться припрацювання, що займае невеликий вiдрiзок часу, при цьому спостер^аеться нестацiонарний режим зносу з високою, але поступово затухаючою швидкiстю зношування. Друга стадiя е найтривалшою, вiдбуваеться стабiлiзацiя процесу зношування, швидюсть зношування невелика i приблизно однакова. Ця дiлянка характеризуе нормальну роботу вузла пiсля припрацювання.
Вщповщно до роботи [3], запишемо штенсивнють зношування ТС дизелiв ССРС без врахування модифшування в наступному виглядг
Тодi, в процесi припрацювання буде справедливий вираз для штенсивност зношування ТС дизелiв:
(1)
(2)
В цьому випадку можна записати нерiвнiсть:
(3)
Вказана нерiвнiсть свiдчить, що ТС дизелiв в процес припрацювання намагаються зменшити та досягти майже постiйноi iнтенсивностi зношування, тобто вщбуваеться процес пристосування в ТС.
Аналiз попередмх до^джень. Принцип пристосування е особливим процесом в положеннях динамши структурноi пристосованостi [4], а поняття динамiчноi рiвноваги ТС за и багатьма положеннями шдкорюеться принципу найменшоi взаемодii (беззношуванiсть е частковим проявом принципу надшносп).
Обгрунтування принципу найменшоi взаемодii в теорп структурно!' пристосованостi матерiалiв в процес тертя привело до виникнення питання про конкретний змiст поняття мтмально!' взаемодii.
Положимо, що у взаемодшчш системi е унiверсальний мстабiлiзаторм, який безпосередньо слщкуе за змiною внутршшх параметрiв та за впливом середовища, коли змiна прискорюеться. Задача взаемодп з середовищем зводить до формулювання й виконання таких взаемодiй, включаючи i хiмiчнi реакцii, якi забезпечують стабiлiзацiю зовнiшнiх впливiв на вторинш структури ТС.
Запишемо рiвняння балансу ентропп для локально!' областi (мюцева термодинамiчна рiвновага).
ds _
де р--швидкiсть притоку ентропп в дану область;
dT
div S - швидюсть вiдтоку ентропп з даноi областi в навколишне середовище;
<т[я] - швидкiсть приросту ентропп даноi внутрiшньоi областi.
В процес деформацii, в поверхневих шарах ТС дизелiв активiзуються самоорганiзуючi дисипативнi процеси, в результат яких утворюеться впорядковаш структури. В результатi кiнетичного фазового переходу вщ консервативного руху дислокацш до переповзання в процесi тертя вщбуваеться вихiд дислокацiй на поверхню, яка наповнена вакансiями. Вихiд дислокацш залежить вiд швидкостi взаемного перемщення, контактного тиску та температури. 1з ТС безперервно мвiдкачуетьсям
(4)
ентротя, що утворюеться в результат взаемодп сполучених поверхонь тертя.
Результати проведеного анал1зу показують, що для досягнення беззношуваност поверхневих шар1в ТС необхщно забезпечити насичешсть поверхш ваканс1ями, високу густину рухомих дислокацш та позбутися нерухомих дислокацш. В процес припрацювання такий процес частково проявляеться.
При взаемодп поверхневих шар1в сполучених елемент1в ТС дизел1в тсля припрацювання вщбуваеться необоротний вихщ дислокацш на поверхню, внаслщок чого вщбуваеться штенсивна дисипащя енергп.
Для досягнення ТС дизел1в динашчного стацюнарного стану з протжанням кваз1беззношеного тертя повинно бути додержано умови сг^]^ 0.
При застосуванш нормального закону розподшу, коли випадкова
т
величина хк = I у^1 , то максимальне значення ресурсу, зпдно роботи [5
1=1
- то 1 ((^^ то то то
т = ехр(—(-Г--- Г... Г Р 1пР(хл(х0...(х + Г Р (х,-)1пР (х -
■Г \ 1 \ 1 гр Лгр 1 ¿и и 1 2 п } 1у / I9 / 1
§ 1 —то —то —то
т -
-IР.1 • 1пРт) + -), (5)
1=1 -н
р1вносильне мш1м1заци частинно! шформацшно! ентропп Suk ^ т1п, к = 1, 2, ..., п.
Метою роботи е обгрунтування шдвищення довгов1чност1 дизел1в ССРС зашзниць при прискоренш процесу припрацювання з позицш термодинам1чного аспекту.
Результати до^джень. Оскшьки Бик « D\xк ] та в ТС дизел1в ССРС завжди юнуе така оргашзащя ансамблевих структур з1 структурною ентротею Sc(P*), яка забезпечуе найдовше надшне функцюнування ТС. Таю структурно-функцюнальш перебудови та збереження оптимального структурного стану, який забезпечуеться постшною витратою вшьно! енергп, призводять до постшного виробництва термодинам1чно! ентропп.
Принцип максимально! надшност е провщним, який мае i регулюючих визначених значень в структурно-функцюнальнш перебудов1 ТС, що тдкоряеться II закону термодинамжи.
Оргашзащя структурних складових в поверхневому шарi з позицп юбернетики [4] являе собою розподiл ансамблiв елементiв, який складаеться з i чинниюв, кожний з яких розв'язуе своi локальнi задачi додержуючись наступного принципу максимальноi надiйностi ТС дизелiв ССРС залiзниць. Випадковi змiни локальних умов визначають iмовiрнiсну участь елеменлв в конкретних ансамблях б, кожний знаходиться у врiвноваженнi з навколишшм локальним середовищем та являе собою об'ект багатоканального регулювання, що складаеться з i - одночасно функщонуючих окремих елеменлв.
Метою функцiонування - максимiзувати функцiю окремих елементiв та функцш залишкового ресурсу.
Всi ансамблi Б,=(г = 1,п) складають структуру ТС дизелiв, тобто елементарний об'ем також являе об'ект з багатозв'язковим регулюванням. Причому просторова орiентацiя ансамблiв залежить вiд умов взаемодп г елементiв iз середовищем. З урахуванням вищевикладеного проведемо фiзичний аналiз трансформацii структурного стану ТС в процес припрацювання сполучень дизелiв ССРС залiзниць.
Нехай ансамбль Бу з i однотиповими елементами складаеться з у одноточкових елеменпв, кшетика трансформацiйних процесiв в яких тдкоряеться деякому стохастичному диференцiальному рiвнянню:
(М = ^ (Х1,Х2'"',Х») (Х1'Х2>--->Хп), (6)
деу - енергетичний стан; у = 1, п ; г = 1, т ;
х{,х2,...,х'п - миттевi значення внутрiшньоi накопиченоi енергii у, причому функцiя описуе швидюсть накопичено!' внутрiшньоi енергii, а функщя gij описуе 11 розсiювання.
Елемент, що достатньо довгий час працюе в певному ансамблi Б = (у = 1, т) в процес припрацювання намагаеться прийти в чаш до постшно! динамiчностi стацiонарного стану:
(х
М = 0, ] = 1 >2>...>пе, (7)
дг
тобто:
ы[/у(х1 >х2 >...>хп)]= ы($1] (х >х2 >...>хп )) = ы\у1 ]. (8)
Випадкова величина ук визначае штенсивне функцiонування к-го
елементу (к = 1), що входить в ансамбль б = = 1,п).
Працездатнiсть кожного елементу ТС дизелiв збiльшуеться, а iнтенсивнiсть роботи к-го елементу в процесi припрацювання знаходиться в промiжку часу (10 - t), тому буде справедлива нерiвнiсть:
мЫ ] * мЫ ] , (9)
1 :о
яка викликае тшьки нерiвномiрне i нестiйке функцiонування:
БЫк] *я[уу] , (10)
1 :0
яке призводить до моменту закшчення припрацювання, тобто до нормально!' роботи ТС дизелiв.
З шшого боку, можна стверджувати, що зi збiльшенням нестiйкого функцiонування i тривалостi роботи елемента зменшуеться надшшсть його роботи.
Тому можна вважати, що функщя надiйностi елементiв, що входять в ансамбль б = ( = 1,п ), мае вигляд:
г :
л
.к
Ра(1) = ехр - ке { Б ук А, (11)
е
\ :о у
яка вiдображае ймовiрнiсть безвщмовно! роботи к-го елементу iз ансамблю б з моменту утворення 10 до моменту часу припрацювання 1.
I
Якщо позначити через г1 = ^ ук iнтенсивнiсть функцiонування
к=1
У
ансамблю б = ( = 1,п), то в якост функцп надiйностi роботи ансамблю по аналоги з виразом (11) можна записати:
Р£1(1) = ехрГ- кг р[ г* ] А1, (12)
е
1
де р (1)- ймовiрнiсть безвщмовно! роботи всiх елементiв ансамблю
б.
Утворення ансамбл1в елеменлв тдкоряються правилу суперадитивност1, зпдно якого, в даному випадку, надшнють роботи елеменлв, сполучених у велик ансамбл1, збшьшуеться за рахунок зменшення навантаження на кожний з них, тобто виконуеться сшввщношення:
Ре(-) > Ре(1-М-) + Рщ(-) , (13)
якщо - > -0 1 -0 - достатньо велика 1 нер1вна нулю стала часу (коли припрацювання вщбуваеться в процес експлуатацп).
З вираз1в (9)-(13) випливае, що якщо утворення ансамбл1в елементв структури ТС дизел1в п1дкоряеться правилу суперадитивност1, то реорган1зац1я ансамблевих структур е основою для закшчення процесу припрацювання.
Подр1бнення ансамбл1в може викликати зб1льшення штенсивност1 функц1онування елемент1в за рахунок збшьшення сили тиску, швидкост1 чи температури. Це в свою чергу приведе до зниження надшност1 функцюнування елеменлв, взаемод1ючих з подр1бненими ансамблями.
Укрупнення ансамбл1в в структур! ТС дизел1в п1д час припрацювання, в першу чергу, передбачае збшьшення надшност1 елемент1в в них, яке досягаеться шляхом зниження навантаження на кожний елемент.
В роботах [4, 6] в1дм1чаеться, що тдхщ структурно! орган!зац!! ТС до метафрагментованих структур ком!рчастого типу завжди супроводжуеться зб!льшенням зносост!йкост! (над!йност!), тобто в цей час наступае нормальна робота ТС дизел!в ССРС заизниць.
В нашому випадку регулюючим параметром закшчення процесу припрацювання е структурна оргашзащя ансамблевих структур, що регулюе густини рухомих дислокацш та ваканс!й, як! знаходяться в поверхневих шарах ТС дизел!в (вирази (1), (2)).
Якщо виконуеться умова (13), то сшввщношення (12) з урахуванням введення цшочисельних функцш можна записати наступним чином:
Р(-) = ехр - ке \D
I V1
1=1
Ж
(14)
яке характеризуе надшнють ТС дизел!в у цшому. При цьому використовуеться те, що активнють окремого ансамблю £1 в колектив! таких ансамбл!в, з яких складаеться елементарний об'ем в структур! ТС дизел!в, статично екв!валентний середньому по систем!.
о
Структури ТС завжди намагаються мати таку оргашзащю, яка мала б максимальну функщю надiйностi при умовi постшност iнтенсивностi поглинання i розсiювання внутршньо! енергп на заданому рiвнi при умовг
М
I У/1)г'(1)
*=1
V
(1) = |у1 *(1)У2 (1),.Ут(1)]
(15)
(16)
чи
р*(1)=[р *(1),р;(1),...,р:(1)\
(17)
що вiдповiдае конкретним умовам зовнiшнього середовища: р е 5 . Умова максимально! надшност врiвноваженоi нестiйкостi функцiонування ТС дизелiв дае можливiсть твердити:
Ж (у) = Б
I У(1)г1(1)
*=1
^ :т.
(18)
Враховуючи теореми про математичне очiкування i дисперсii, справедливе спiввiдношення:
Ж(у)=£уг2Б[ге(1;]. (19)
*=1
Оскiльки функцiонал Ж(у) е опуклою функцiею, iснуе оптимальний план у* = [у1 *, у*2 ,...,у*: ], який мiнiмiзуе функцiонал (19).
Якщо врахувати структурну ентропiю, то з виразу (19) слщуе, що для кожно! умови зовнiшнього середовища ^ е 5 iснуе оптимальна оргашзащя ансамблiв елементiв ТС дизелiв з структурною ентрошею 5С(Р* ), яка максимiзуе функцiю надiйностi (14) при вищенаведенш умовi.
Очевидно, що для кожно! змiни умови середовища s2 е 5 iснуе, також, нова оптимальна оргашзащя ймовiрностей ансамблiв ТС зi структурною ентропiею 5С (Р*). При встановленш ново!' оргашзацп
системи 5е(Р*) пiд впливом нових умов зовшшнього середовища, змiнюеться просторовий розподш локальних умов навантаження елеменлв структури, з якими знаходяться у рiвновазi конкретнi ансамблi.
Якщо Р2/ ф 0 (i = 1 ,т), то рiзниця мiж стацiонарним станом з позицп початково! органiзацii може бути виражено через юльюсть шформацп за Кульбаку С [6]:
V Р2 У
Е р*^
р*
ги
г=1
Р
(20)
21
Враховуючи, що е достатне число елементв в ансамблi структури ТС дизелiв, отримаемо:
т
т
Е -Е у2к
}=1 к=1
(21)
Звiдси випливае, що:
Р
Р
р* ЕЕ VI м ^ ]
г=1
21
Р* Ыкм [> ]
г =1
(22)
тобто вщношення часток ансамблiв £ ТС до i пiсля припрацювання дорiвнюе вiдношенню iнтенсивностi !х роботи в цих же умовах.
Результати експериментальних дослщжень [2, 5] показують, що процес припрацювання проходить через рiвень дезорганiзацii з наступною новою оргашзащею структури.
Таким чином, на I етат роботи (припрацювання), адаптащя до нових умов зовнiшнього середовища (роботи) s2 е 5 система дезоргашзуеться i !! ентропiя досягае величини
5о( р*, р;)=н (р*)+к1
Г Р"\ 11
К1 2 у
(23)
де к - деякий коефiцiент пропорцшност.
На II етапi роботи, адаптащя ТС дизелiв установлюе нову оргашзащю ймовiрностей ансамблiв £, яка оптимально вщповщае новим умовам зовнiшнього середовища (роботи) s2 е 5 в розумшш принципу максимуму надiйностi.
I
*
* *
Величина 5С(Р1 ,Р2 ) при к=1 дорiвнюе структурнiй ентропп:
:
5с(Р* ,Р2^ ) = 1 Р*18Р* (24)
*=1
i являе собою "корисну" iнформацiю про структурну перебудову в поверхневих шарах ТС дизелiв ССРС заизниць.
Таким чином, реорганiзацiя ансамблевих структур е процесом припрацювання ТС дизелiв ССРС залiзниць.
Висновки. Розглядаючи поверхневий шар в неоднородному фiзичному полi, яке визначаеться потенцiалом густини дислокацш з урахуванням особливостей роботи ТС дизелiв ССРС залiзниць шсля процесу припрацювання, слiд вiдмiтити, що неоднорщшсть розподiлу дислокацiй приводить до вдаилення вiд стану термодинамiчноi рiвноваги i е причиною виходу дислокацш на поверхню, як замiщають вакансп, а також виникнення потокiв переносу в припрацьованих поверхневих шарах ТС, як мають кiнцевий об'ем в зош контакту i обмеженi поверхнею. Тобто прискорення припрацювання ТС надасть перспективи по шдвищенню довговiчностi дизелiв ССРС залiзниць.
Ефективнiсть розробок, що стосуються триботехшчних матерiалiв передусiм визначаеться !х властивiстю та промисловим застосуванням. Важлива роль, при цьому, належить триботехнiчним характеристикам, якi виконують функцп параметру оптимiзацii при розробцi технологш i основного критерiю при виборi матерiалiв для ТС дизелiв ССРС залiзниць для прискорення процесу !х припрацювання.
Список лтератури
1. Мямлин С.В. Моделирование динамики рельсовых экипажей. - Д.: Новая идеология, 2002. - 240 с.
2. Барановський Д.М. Пщвищення ресурсу дизел1в при прискоренш процесу припрацювання // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2009. -№6/1(42). - С. 47-50.
3. Барановський Д.М. Теоретичне обгрунтування зниження штенсивносп зношування трибосистем дизел1в // Вюник Донецько! академп автомобшьного транспорту. - 2010. - № 1. - С. 62-66.
4. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций М.: Мир, 1973. - 273 с.
5. Барановський Д.М. Визначення залишкового ресурсу трибосистем // Проблеми трибологл. - 2009. - №4. - С. 127-129.
6. Г. Хакен. Синергетика. - М.: Мир, 1980.
