CC BY
23
12. Sluzhebnoi raspisanie gruzovykh i passazhirskikh poezdov po Vostochno-Sibirskoi zheleznoi doroge dlya grafika dvizheniya poezdov na 2018-2019 gg. Ofitsial'nyi sait Vostochno-Sibirskoi zheleznoi dorogi - filiala RZhD [Service schedule of freight and passenger trains on the East Siberian Railway for the train schedule for 2018-2019. Official website of the East Siberian Railway - a branch of the Russian Railways] [Electronic media]. URL: http://vszd.rzd.ru (Accessed: October 09, 2020).
13. Plan formirovaniya gruzovykh poezdov na Vostochno-Sibirskoi zheleznoi dorogi na 2018-2019 gg. Ofitsial'nyi sait Vos-tochno-Sibirskoi zheleznoi dorogi - filiala RZhD [Plan for the formation of freight trains on the East Siberian Railway for 20182019. Official site of the East Siberian Railway - a branch of Russian Railways][Electronic media]. URL: http: //vszd.rzd.ru (Accessed: October 03, 2020).
14. Instruktsiya po operativnomu planirovaniyu poezdnoi i gruzovoi raboty v OAO «RZhD», utverzhdennaya rasporyazheniem OAO «RZhD» 16.07.2012 No. 1415r. [Instructions for the operational planning of train and cargo operations at Russian Railways, approved by order of Russian Railways on July 16, 2012. No. 1415r] [Electronic media]. URL: https: // gkrfkod.ru/zakonodatelstvo/rasporjazhenie-oao-rzhd-ot-16072012-n-1415r (Accessed: October 03, 2020).
15. Edinaya intellektual'naya sistema upravleniya i avtomatizatsii proizvodstvennykh protsessov na zheleznodorozhnom transporte [Unified intelligent system for control and automation of production processes in railway transport] [Electronic media]. URL: http://www.vniias.ru/isuzht (Accessed: October 12, 2020).
16. Tekhnichesko-rasporyaditel'nyi akt zheleznodorozhnoi stantsii Nizhneudinsk Vostochno-Sibirskoi zheleznoi dorogi (ut-verzhden i vveden v deistvie nachal'nikom Vostochno-Sibirskoi direktsii upravleniya dvizheniem 1 iyulya 2017 g.). 380 s. [Technical and administrative act of the railway station Nizhneudinsk of the East Siberian railway (approved and put into effect by the head of the East Siberian traffic management directorate on July 1, 2017), 380 p.].
17. Tekhnologicheskii protsess raboty zheleznodorozhnoi stantsii Nizhneudinsk Vostochno-Sibirskoi zheleznoi dorogi (ut-verzhden i vveden v deistvie nachal'nikom Vostochno-Sibirskoi direktsii upravleniya dvizheniem 13 iyulya 2016 g.). 350 s. [Technological process of the Nizhneudinsk railway station of the East Siberian railway (approved and put into effect by the head of the East Siberian traffic management directorate on July 13, 2016), 350 p.].
18. Tipovoi tekhnologicheskii protsess mestnoi raboty: rasporyazhenie OAO «RZhD» № 684r ot 15 aprelya 2016 g. [Typical technological process of local work: order of "Russian Railways" OAO. No. 684r dated April 15, 2016] [Electronic media]. URL: http://docs.cntd.ru/document/456060281 (Accessed: October 12, 2020).
19. Polozhenie o zheleznodorozhnoi stantsii, utverzhdennoe rasporyazheniem OAO «RZhD» ot 31 maya 2011 g. № 1186r (v redaktsii rasporyazheniya OAO «RZhD» ot 28 yanvarya 2015 g. № 168r). [Regulations on the railway station, approved by the order of JSC "Russian Railways" dated 31.05.2011. No. 1186r (as amended by the order of "Russian Railways" OAO dated 28.01.2015 No. 168r)][Electronic media]. URL: http://docs.cntd.ru/document/ % 20902285883 (Accessed: October 09, 2020).
20. Tipovoi tekhnologicheskii protsess raboty punkta kommercheskogo osmotra vagonov v poezdakh, utverzhdennyi MPS Rossii 18 marta 2001 g., s dopolneniyami v chasti organizatsii raboty KPB, utverzhdennymi OAO «RZhD» 16 oktyabrya 2007 g. Ofitsial'nyi sait Vostochno-Sibirskoi zheleznoi dorogi - filiala RZhD [Typical technological process of work of the point of commercial inspection of wagons in trains, approved by the Ministry of Railways of Russia on March 18, 2001, with additions in terms of organizing the work of the CPB, approved by Russian Railways on October 16, 2007. Official website of the East Siberian Railway - branch of Russian Railways][Electronic media]. URL: http://vszd.rzd.ru (Accessed: October 05, 2020).
21. Poryadok razrabotki, soglasovaniya i utverzhdeniya v OAO «RZhD» Instruktsii o poryadke obsluzhivaniya i organizatsii dvizheniya na zheleznodorozhnom puti neobshchego pol'zovaniya, utverzhdennyi rasporyazheniem OAO «RZhD» ot 23 dek-abrya 2013 g. No. 2859r. Ofitsial'nyi sait Vostochno-Sibirskoi zheleznoi dorogi - filiala RZhD [The procedure for the development, approval and approval by JSC "Russian Railways" of Instructions on the procedure for servicing and organizing traffic o n a non-public railway track, approved by order of JSC "Russian Railways" dated December 23, 2013. No. 2859r. Official website of the East Siberian Railway - branch of the Russian Railways][Electronic media]. URL: http://vszd.rzd.ru (Accessed: October 10, 2020).
Информация об авторах
Чубарова Ирина Александровна - канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры управления эксплуатационной работой, Иркутский государственный университет путей сообщения, г. Иркутск, e-mail: ia7chubarova@gmail.com Гончарова Наталья Юрьевна - канд. пед. наук, доцент кафедры управления эксплуатационной работой, Иркутский государственный университет путей сообщения, г. Иркутск, e-mail: gonnataly@mail.ru
DOI 10.26731/1813-9108.2020.4(68).150-158
Information about the authors
Irina A. Chubarova - Cand. Sc. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor, Department of Managing Exploitation Work, Irkutsk State Transport University, Irkutsk, e-mail: ia7chubarova@gmail.com
Natalya Yu. Goncharova - Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor of the Department of Operations Management, Irkutsk State University of Railways, Irkutsk, e-mail: gonnataly@mail.ru
УДК 629.423
Теоретические исследования особенностей моделирования процесса фрикционного торможения поездов
П. Ю. Иванов, Е. Ю. Дульский, А. А. Хамнаева, А. А. КорсунИ
Иркутский государственный университет путей сообщения, г. Иркутск, Российская Федерация И korsunanton1998@gmail.com
Резюме
В статье проведено исследование статистических данных, обуславливающих актуальность повышения тормозной эффективности поездов. Рассматриваются особенности моделирования процесса фрикционного торможения железнодорожного подвижного состава. Проведен краткий обзор международных публикаций по вопросам исследования фрикционных тормозов различных видов транспорта. Рассмотрена методика определения коэффициентов трения тормозной колодки о колесо для железнодорожного подвижного состава. Проанализированы особенности методики определения коэффициента трения, оказывающие влияние на точность моделирования фрикционного торможения. По проведенному анализу сделан ряд выводов. Предпологается, что у изношенной колодки может измениться коэффициент трения и тормозная сила из-за увеличения температуры в зоне контакта с колесом, так как колодка в процессе изнашивания теряет порядка 80 % от первоначальной массы и 25 % площади теплообмена с окружающей средой, а это существенно изменяет энергетический баланс и температуру в зоне трения. Таким образом, можно объяснить, почему у поездов с одинаковым тормозным нажатием и другими равными условиями торможения в эксплуатации разный тормозной путь. Вследствие исследования сделан вывод, что температура колодок учитывается в формулах коэффициента трения, но только для случаев торможения, при которых скорость движения постоянно уменьшается, и поезд стремится к остановке. Нельзя с уверенностью применять данный коэффициент для моделирования длительного торможения с неизменной скоростью, так как температура колодок начнет увеличиваться и, несмотря на постоянное значение нажатия и скорости, коэффициент трения начнет существенно изменяться. В результате проведенные теоретические исследования и сделанные выводы позволят в дальнейшем более глубоко изучить процессы торможения и факторы, влияющие на тормозной путь поездов.
Ключевые слова
подвижной состав железных дорог, фрикционные тормоза, автоматические пневматические тормоза, торможение поезда, тормозная эффективность, коэффициент трения
Для цитирования
Иванов П. Ю. Теоретические исследования особенностей моделирования процесса фрикционного торможения поездов / П. Ю. Иванов, Е. Ю. Дульский, А. А. Хамнаева, А. А. Корсун // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2020. -№ 4 (68). - С. 150-158. - DOI: 10.26731/1813-9108.2020.4(68).150-158
Информация о статье
поступила в редакцию: 11.11.2020, поступила после рецензирования: 21.11.2020, принята к публикации: 23.11.2020
Theoretical studies of features of train friction braking process modeling
P. Yu. Ivanov, E. Yu. Dul'skii, A. A. Khamnaeva, A. A. KorsunS
Irkutsk State Transport University, Irkutsk, the Russian Federation И korsunanton1998@gmail.com
Abstract
This article studies statistical data that determine the relevance of increasing the braking efficiency of trains. It is concerned with the features of modeling the process of frictional braking of railway rolling stock. The authors conduct a brief review of international publications on the study of friction brakes of various types of transport. They consider the technique of determining the coefficient of friction of the brake shoe on the wheel for the railway rolling stock. The features of the method of determining the friction coefficient, which affect the accuracy of modeling frictional braking, are analyzed. A number of conclusions were made based on the analysis. It is assumed that the friction coefficient and braking force may change in a worn-out shoe due to an increase in the temperature in the contact zone with the wheel, because the shoe loses about 80 % of the original mass and 25 % of the heat exchange area with the environment. This significantly changes the energy balance and temperature in the friction zone. Thus, we can explain why trains with the same braking effort and other equal braking conditions in operation have different stopping distances. As a result of the study, it is concluded that the temperature of the shoes is taken into account in the formulas of the friction coefficient, but only for cases of braking in which the speed of movement is constantly decreasing, and the train tends to stop. It is not possible to use this coefficient with confidence to simulate long-term braking at a constant speed, since the temperature of the shoes will start to increase and, despite the constant value of the effort and speed, the coefficient of friction will begin to change significantly. The work indicates areas of prospective studies in the direction of development of the railway transport brake technology mentioned in the article.
Keywords
railway rolling stock, friction brakes, automatic pneumatic brakes, train braking, braking efficiency, friction coefficient
For citation
Ivanov P. Yu., Dul'skii E. Yu., Khamnaeva A. A., Korsun A. A. Teoreticheskie issledovaniya osobennostei modelirovaniya protsessa friktsionnogo tormozheniya poezdov [Theoretical studies of features of train friction braking process modeling]. Sov-
remennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie [Modern Technologies. System Analysis. Modeling], 2020, No. 4 (68), pp. 150— 158. - DOI: 10.26731/1813-9108.2020.4(68). 150-158
Article info
Received: 11.11.2020, Revised: 21.11.2020, Accepted: 23.11.2020
Введение
Транспорт является одной из ключевых отраслей любого государства, важнейшей составляющей эффективного функционирования экономики. Развитие транспортной системы Российской Федерации нацелено на более полное обеспечение потребностей хозяйства и населения страны транспортными услугами.
Взаимосвязь тормозной эффективности и прибыли компании ОАО «Российские железные дороги»
На сегодняшний день РЖД превысили абсолютный рекорд советского периода по грузообороту на 30 % (рис. 1). В связи с развитием других видов транспорта для пассажиров, пассажирские перевозки по железной дороге не выросли с 2011 г., однако и не снизились, а значит продолжают занимать свое место в графике движения поездов (рис. 2).
2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Годы
Рис. 1. Динамика изменения грузооборота по сети железных дорог ОАО «РЖД» Fig. 1. Dynamics of changes in freight turnover on the railway network of "Russian Railways" OAO
g, 80 S
~ 60
Рис. 2. Динамика изменения пассажирооборота по сети железных дорог ОАО «РЖД» Fig. 2. Dynamics of changes in passenger traffic on the railway network of "Russian Railways" OAO
Ниже показана динамика прироста грузооборота по годам как относительно 2010 г., так и относительно предшествующих годов. Видно, что несмотря на кризисные ситуации в российской и мировой экономиках, наблюдается стабильный рост.
Рис. 3. Динамика прироста грузооборота по сети
железных дорог ОАО «РЖД» Fig. 3. Dynamics of growth in freight turnover on the railway network of "Russian Railways" OAO
Таким образом, приведенные статистические данные указывают на то, что инфраструктура находится на пределе возможностей по пропускной способности. Пропускная способность, в свою очередь, зависит от средней скорости движения поездов.
В правилах технического обслуживания тормозного оборудования и управления тормозами железнодорожного подвижного состава, утвержденных приказом № 151 от 3 июня 2014 г. приведена таблица, где показана взаимосвязь единого тормозного нажатия с максимально допустимой скоростью и длиной тормозного пути. Для большей наглядности построим график данной зависимости (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость единого наименьшего тормозного нажатия от скорости движения поезда Fig. 4. Dependence of the single smallest braking effort on the train speed
40
2U
Видно, что для пассажирских поездов прослеживается четкая зависимость, а именно, с увеличением тормозного нажатия возрастает максимально допустимая скорость. Можно сделать вывод, что скорость движения поездов напрямую зависит от тормозной эффективности. Более того, невысокая эффективность тормозов вынуждает машинистов обеспечивать увеличенный запас тормозного пути, заранее снижать скорость, что негативно отражается на участковой скорости движения поездов.
Далее рассмотрим динамику изменения скорости движения поездов и прибыли компании ОАО «РЖД» (рис. 5, 6).
Годы
1 - Техническая скорость 2 - Участковая скорость
Рис. 5. Динамика изменения участковой и технической скоростей движения поездов по сети железных дорог ОАО «РЖД» Fig. 5. Dynamics of changes in the section and technical speeds of train traffic on the railway network of "Russian Railways" OAO
I —
L
2010 2011 2012 2013 ■■ 20 15 2016 2017 2018
Ц 2015
I I
Рис. 6. Динамика изменения прибыли компании ОАО «РЖД» Fig. 6. Dynamics of changes in the profit of "Russian Railways" OAO
Согласно приведенной информации, скорость за 2010-2018 гг. снизилась и имела существенный провал в 2011-2014 гг. (см. рис. 5). Это связано с рядом факторов, в том числе с введением поездов повышенной массы 6 300 т, у которых проявилась
проблема нехватки тормозного нажатия. Это приводит к необходимости снижения допустимых скоростей движения на 5-10 км/ч. Таким образом, при росте грузооборота произошло снижение скоростей движения, следовательно, сильно упала производительность перевозочного процесса и выросла его себестоимость. Это наряду с макроэкономическими показателями привело к резкому снижению прибыли компании и даже убыткам (рис. 6). Дальнейший незначительный рост скоростей в 2015-2017 гг. коррелирует с ростом прибыли компании ОАО «РЖД» в этом же периоде.
Подводя итоги исследования статистических данных, стоит сказать, что эффективность тормозных средств напрямую влияет на максимально допустимую и участковую скорости движения поездов, которые, в свою очередь, неразрывно связаны с прибылью.
В соответствии со стратегией развития компании ОАО «РЖД» до 2030 г. одним из наиболее приоритетных направлений является повышение скоростей движения поездов, что также обуславливает актуальность поиска путей повышения тормозной эффективности поездов и сокращения тормозного пути. Более того, при повышении тормозной эффективности происходит не только улучшение качественных показателей, но и повышение безопасности движения грузовых и пассажирских перевозок, что тоже соответствует стратегии развития.
Важно отметить, что фундаментальные наработки функционирования пневматических и электропневматических тормозов, лежащие в основе разработки тормозного оборудования и систем управления тормозами, были сформированы более 60 лет назад. При формировании данных фундаментальных основ использовались методы, не учитывающие некоторые важные факторы в силу технического несовершенства и инструментальной базы того времени. В связи с наличием допущений, сформированных в теоретических основах, тормоза железнодорожного подвижного состава по некоторым параметрам работают недостаточно эффективно, т. е. имеют резерв для повышения эффективности. Повышение эффективности тормозной системы до 2000-х гг. не имело высокой актуальности, так как имеющейся инфраструктурной и технической производительности железных дорог хватало для обеспечения требуемого грузо- и пассажирооборота. Это стало причиной отсутствия развития фундаментальной базы.
В рамках научно-исследовательской работы по теме «Повышение скорости движения поездов путем увеличения эффективности, управляемости и контроля работоспособности автотормозов подвижного состава» авторами в настоящий момент проводятся исследования в области повышения тормоз-
0
ной эффективности, что будет частично отражено в данной статье.
Методология определения коэффициента трения
Для развития тормозной техники необходимо более глубоко понимать физику процессов, ведущих к остановке поезда. Далее в работе будет более подробно рассмотрен физический смысл некоторых формул, применяемых для расчетов тормозных характеристик поезда на железнодорожном транспорте [1].
Допустимая скорость движения поездов ограничивается его способностью остановиться на безопасной дистанции в экстренных случаях [2]. Дистанция остановки определяется отношением суммарной тормозной силы, развиваемой колодками в процессе торможения, и массой поезда. Это отношение называется тормозной эффективностью:
2 Т
и =-,
т
где 2 Т - суммарная сила нажатия всех колодок на колеса, кН; т - масса поезда, т.
В расчетных моделях движения поезда тормозной путь состава считается величиной, зависящей от нажатия колодок на колеса, массы поезда и скорости его движения. Однако, опытная эксплуатация поездов показывает, что поезда с одинаковой тормозной эффективностью, совершая одинаковые по тормозному нажатию и скорости торможения, имеют разные тормозные пути.
Учитывая, что типы колодок и колес у рассматриваемых поездов одни и те же, также как и нажатие колодки на колесо, то можно сделать вывод, что коэффициент трения системы «колодка - колесо» зависит от дополнительного фактора. В других исследованиях рассматривается воздействие термопластических деформаций в процессе трибологиче-ского взаимодействия в процессе торможения [3, 4], здесь говорится о влиянии появления третьего тела в области трения «колодка - колесо» вследствие отделяемых в ходе износа частиц. Однако подавляющее большинство авторов исследуют температурную динамику в системе «колодка - колесо» или «колодка - диск» как фактор, влияющий на разрушение материалов [4, 6-8]. В работе [9, 10] рассматривается непосредственное влияние температуры колодки на силу сцепления для дискового тормоза и распределение температуры по диску. В работе [11] представлены экспериментальные исследования процесса торможения грузовых поездов итальянских железных дорог для различных видов тормозных колодок. Применение колодочных тормозов влияет на температуру круга катания колес. Изменение температуры круга катания также оказывает влияние на силу сцепления колеса с рельсом, исследованию этого вопроса посвящен ряд работ [12, 13].
Из рассмотренных исследований можно сделать однозначный вывод, что коэффициент трения имеет существенную зависимость от температуры в зоне контакта «колодка - колесо», а значит, может оказывать влияние на тормозной путь. Особенно температура оказывает влияние на тормозную силу при длительных торможениях на склонах для регулирования или поддержания скорости.
Используемые на сегодняшний день в расчетах тормозного пути поездов коэффициенты определяются экспериментально. Экспериментальное определение зависимостей физически включает в себя все факторы, влияющие на процесс торможения. Таким образом, влияние температуры тормозных колодок, изменяющейся в процессе торможения, также включено в коэффициент трения. При этом появляется расхождение между расчетными торможениями и торможениями в реальной эксплуатации.
Для того чтобы определить, как учитывается температура в коэффициенте трения, полученном таким методом, необходимо более подробно рассмотреть метод вычисления коэффициента трения при взаимодействии колодки с колесом.
Согласно методу сила торможения определяется по формуле
В = Ф- Т, (1)
где ф - коэффициент трения; T - сила нажатия колодки к поверхности катания колеса, кН.
Сила нажатия определяется достаточно легко, ей можно точно управлять, а это упрощает вычисление коэффициента трения по формуле (1). Таким образом, для определения коэффициента трения необходимо вычислить тормозную силу, для чего используется метод бросания [14]. Данный метод подразумевает принудительную отцепку испытываемой единицы подвижного состава, которая, в свою очередь, выполняет самоторможение с определенной силой нажатия колодки на колесо (рис. 7). Такой опыт самоторможения проводят с различными значениями силы нажатия колодки на колесо. Далее выполняется построение кривой зависимости скорости от времени или от пути и дифференцирование ее на заданных интервалах с периодичностью 2 км/ч.
На каждом интервале находится изменение скорости
ЬУ = V - V
где у.+1 - скорость в конце интервала, км/ч; V -
скорость в начале интервала, км/ч.
Далее определяется время интервала и ускорение замедления на интервале по формулам (2) и (3) соответственно:
= ^ -11, (2) где - время в конце интервала, с; ti - время в начале интервала, с;
a, = AV,/At,. (3)
Силу торможения возможно найти по двум формулам:
В = Ф, • Т,
где Т - сила нажатия колодки на колесо, Т = const, кН; ф - коэффициент трения на /-ом интервале;
В = а{ ■ m, где m - масса испытываемой единицы, т. Отсюда,
m ■ а,
Фг =
T
¡жг
Бросание _„
v, км/ч V,
v,+i Av3 AV4 Avs Av,
a v m m
BT BT Bt BT ^t +i
^•s.tl+2
+3
a5
ai
\
/та , M
t, сек
V5 V4 V3 V2 Vi
б
V, км/ч
Определенный экспериментальным методом коэффициент трения для чугунной и композиционной тормозных колодок можно представить в виде формул (4), (5), либо в виде графиков (рис. 8), которые также приведены в [1]:
Фе
= 0,6 •-
1,6 • T + 100 V + 100
Ф - = 0,44 •
т comi '
8 • T + 100 5 • V + 100 0,1 • T + 20 V +150
0,4 • T + 20 2 • V +150
(4)
(5)
0,4
к
К 0,3
H
H
и
■вн
г-â
0,2
0,1
о
r=10 20 30 ■40 кН /
' Y n ■шоз иционыые
Г-10 20 30 40 кН _ Чугунные
Рис. 7. Методика обработки кривой самоторможения для определения коэффициента трения колодки об колесо экспериментальным путем: а - кривая самоторможения; б - коэффициент трения Fig. 7. Method of processing the self-braking curve to experimentally determine the coefficient
of friction of the shoe on the wheel: a - self-braking curve; b - coefficient of friction
Таким образом, значение коэффициентов, полученных для каждого интервала, аппроксимируется в зависимость, которая и является формулой нахождения коэффициента трения.
20 40 60 80 100
Скорость движения поезда, км/ч
Рис. 8. Зависимость коэффициента трения чугунной и композиционной колодок от скорости движения поезда Fig. 8. Dependence of the coefficient of friction of cast-iron and composite shoes on the train speed
Обозначение проблемных вопросов, связанных с коэффициентом трения
После подробного рассмотрения метода экспериментального получения коэффициента трения можно сделать ряд выводов.
Полученный коэффициент отражает не только зависимость силы трения между колодкой и колесом, но и силы инерции вращающихся масс, запасенной в колесных парах, которые делают график полученного коэффициента более плавным. Выявленный при помощи аппроксимации коэффициент неполностью соответствует классическому определению коэффициента трения, так как он вычислен в процессе замедления, т. е. на систему действовали инерционные силы. Инерционные силы учтены формулами коэффициента (4), (5), но не являются постоянной величиной при решении задач торможения различных типов подвижного состав. Инерционные силы зависят от момента инерции вращаю-
а
V
щихся масс и ускорения замедления. В экспериментах, проводимых на стендах не имеющих высокой инерции трущихся элементов, график коэффициента трения имел более резкий и сложных вид [9].
Температура колодок учитывается в формулах (4), (5), но только для случаев торможения, при которых скорость движения постоянно уменьшается, и поезд стремится к остановке. Нельзя с уверенностью применять данный коэффициент для моделирования длительного торможения с неизменной скоростью, так как температура колодок начнет увеличиваться и, несмотря на постоянное значение нажатия и скорости, коэффициент трения начнет существенно изменяться [9].
С увеличением силы нажатия коэффициент трения снижается. Это странно, потому что с увеличением нажатия должна возрастать степень диффузии между колодкой и колесом. Согласно [15] с увеличением силы нажатия растет тормозная сила, а значит механическая мощность торможения возрастает. При фрикционном торможении вся механическая мощность преобразуется в тепловую и, как следствие, увеличение нажатия приводит к повышению температуры, что способствует снижению коэффициента трения между колодкой и колесом.
Для более точного моделирования процесса торможения поезда необходимо проводить дополнительные исследования нагрева колодки и колеса в процессе торможения в зависимости от длительности торможения.
Важно заметить, что скорость нагрева колодки и максимальная температура во время торможения будут зависеть не только от рассеиваемой тепловой мощности, но также от общей теплоемкости колодки и площади теплообмена колодки с окружающей средой. Колодка в процессе изнашивания теряет
порядка 80 % от первоначальной массы и 25 % площади теплообмена с окружающей средой, а это существенно изменяет энергетический баланс и температуру в зоне трения. Предположительно у изношенной колодки может измениться коэффициент трения и тормозная сила из-за увеличения температуры в зоне контакта с колесом. Таким образом, можно объяснить, почему у поездов с одинаковым тормозным нажатием и другими равными условиями торможения в эксплуатации разный тормозной путь.
Заключение
Проведенные теоретические исследования и сделанные выводы закладывают задел для дальнейших исследований процессов торможения и факторов, влияющих на тормозной путь поездов. В настоящее время проводится моделирование динамики тепловых полей в зоне контакта между колодкой и колесом в процессе торможения с разными по форме и материалам тормозных колодок, планируются экспериментальные исследования динамики коэффициента трения от температуры и корректирование расчетных моделей для вычисление тормозной силы. Результаты данных исследований позволят предложить конструктивные изменения тормозной системы [16], оптимальные алгоритмы управления тормозным нажатием [17-19] и другие меры. Все это в комплексе будет направлено на увеличение средней и максимально допустимой скоростей движения поездов, их массы, ресурса тормозных колодок, повышение эффективности перевозочного процесса на железнодорожном транспорте и развитие экономики Российской Федерации в целом.
Список литературы
1. Правила тяговых расчетов для поездной работы, 2016. 510с.
2. Правила технического обслуживания тормозного оборудования и управления тормозами железнодорожного подвижного состава, 2014. 179 с.
3. Abbasia S., Teimourimaneshb Sh., Vernerssonb T., Sellgrena Ulf., Olofssona Ulf., Lundenb R. Temperature and thermo-elastic instability at tread braking using cast iron friction material, Wear. 2013. Vol. 314. Pp. 171-180.
4. Hamdaoui A., Jaddi El.H. Effects of the brake shoe friction material on the railway wheel damage, MATEC Web of Conferences, 2018. Vol. 149. Pp. 1-4.
5. Evtushenko O.O., Ivanyk E.H., Horbachova N.V. Analytic methods for thermal calculation of brakes (review), Materials Science, 2000. Vol. 36. No. 6. Pp. 857-862.
6. Petersson M. Two-dimensional finite element simulation of the thermal problem at railway block braking, Mechanical Engineering Science, 2015. Vol. 216. Pp. 259-273.
7. Han Z.Li, Yang Z., Pan L. The effect of braking energy on the fatigue crack propagation in railway brake discs, Engineering Failure Analysis, 2014. Vol. 44. Pp. 272-284.
8. Esmaeili A., Walia M.S., Handa K., Ikeuchi K., Ekh M., Vernersson T., Ahlstrom J. A methodology to predict thermo-mechanical cracking of railway wheel treads: from experiments to numerical predictions, International Journal of Fatigue, 2017. Vol. 105. Pp. 71-85.
9. Balotin J.G., Neis P.D., Ferreira N.F. Analysis of the influence of temperature on the friction coefficient of friction materials, ABCM Symposium Series in Mechatronics, 2010. Vol. 4. Pp. 898-906.
10. Talati F., Jalalifar S. Analysis of heat conduction in a disk brake system, Heat Mass Tranfer, 2009. Vol. 45. Pp. 1047-1059.
11. Cantone L., Ottati A. Modelling of friction coefficient for shoes type LL by means of polynomial fitting, The Open Transportation Journal, 2018. Vol. 12. Pp. 114-127.
12. Meysam N., Jabbar A.Z., Morad Sh., Morteza E. 3D dynamic model of the railway wagon to obtain the wheel-rail forces under track irregularities, Proc. IMechE Part K: journal of Multi-Bodies Dynamics, 2015. Vol. 252. Pp. 1-13.
13. Wei Y.P., Wu Y.P. Thermal and mechanical characteristics of contact friction pair based on 3-D wheel/rail-foundation contact vertical system, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2019. Vol. 657. Pp.1-9.
14. ГОСТ 33597-2015. Тормозные системы железнодорожного подвижного состава. Методы испытаний, 2016. 32 с.
15. Milosevic M.S., Stamenkovic D. S., Milojevic A.P., Tomic M.M. Modeling thermal effects in braking systems of railway vehicles, Thermal science, 2012. Vol. 16. Pp. 515-526.
16. Иванов П.Ю. Исследование работы стабилизатора крана машиниста усл. № 395 [Текст] / П.Ю. Иванов, Н.И. Ма-нуилов, Е.Ю. Дульский, А.М. Худоногов // Инновационные проекты и технологии машиностроительных производств: Материалы второй всероссийской науч. техн. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2017. С. 63-69.
17. Худоногов А.М. Управление оперативными процессами работы сортировочной станции на основе применения искусственных нейронных сетей [Текст] / А.М. Худоногов, П.Ю. Иванов, Н.И. Мануилов, Е.Ю. Дульский // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2018. Т. 15, № 1. С. 130-135.
18. Иванов П.Ю. Повышение эффективности работы тормозной системы пассажирских поездов [Текст] / П.Ю. Иванов, А.И. Романовский, А.А. Хамнаева, А.А. Корсун, А.С. Борутенко // Транспорт: наука, техника, управление. 2020, № 3. С. 39-43.
19. Иванов П.Ю. Снижение энергопотребления электровоза при управлении пневматическими тормозами грузового поезда [Текст] / П.Ю. Иванов, А.А. Хамнаева, А.М. Худоногов // Разработка и эксплуатация электротехнических комплексов и систем энергетики и наземного транспорта: Материалы третьей международной научно-практической конференции. 2018. С. 143-151.
References
1. Pravila tyagovykh raschetov [Rules of traction calculations for train operation], 2016. 510 p.
2. Pravila tekhnicheskogo obsluzhivaniya tormoznogo oborudovaniya i upravleniya tormozami zheleznodorozhnogo podvizhnogo sostava [Rules of the brake equipment maintenance and of the brake control of railway rolling stock], 2014. 179 p.
3. Abbasi S., Teimouri Manesh Sh., Vernersson T., Sellgren U., Olofsson U., Lunden R. Temperature and thermoelastic instability at tread braking using cast iron friction material. Wear, 2013. Vol. 314. Pp. 171-180.
4. Hamdaoui A., Jaddi El.H. Effects of the brake shoe friction material on the railway wheel damage. MATEC Web of Conferences, 2018. Vol. 149. Pp. 1-4.
5. Evtushenko O.O., Ivanyk E.H., Horbachova N.V. Analytic methods for thermal calculation of brakes (review), Materials Science, 2000. Vol. 36. No. 6. Pp. 857-862.
6. Petersson M. Two-dimensional finite element simulation of the thermal problem at railway block braking. Mechanical Engineering Science, 2015. Vol. 216. Pp. 259-273.
7. Han Z.Li, Yang Z., Pan L. The effect of braking energy on the fatigue crack propagation in railway brake discs. Engineering Failure Analysis, 2014. Vol. 44. Pp. 272-284.
8. Esmaeili A., Walia M.S., Handa K., Ikeuchi K., Ekh M., Vernersson T., Ahlstrom J. A methodology to predict thermo-mechanical cracking of railway wheel treads: from experiments to numerical predictions. International Journal of Fatigue, 2017. Vol. 105. Pp. 71-85.
9. Balotin J.G., Neis P.D., Ferreira N.F. Analysis of the influence of temperature on the friction coefficient of friction materials. ABCM Symposium Series in Mechatronics, 2010. Vol. 4. Pp. 898-906.
10. Talati F., Jalalifar S. Analysis of heat conduction in a disk brake system. Heat Mass Transfer, 2009. Vol. 45. Pp. 1047-1059.
11. Cantone L., Ottati A. Modelling of friction coefficient for shoes type LL by means of polynomial fitting. The Open Transportation Journal, 2018. Vol. 12. Pp. 114-127.
12. Meysam N., Jabbar A.Z., Morad Sh., Morteza E. 3D dynamic model of the railway wagon to obtain the wheel-rail forces under track irregularities. Proc. IMechE Part K: journal of Multi-Bodies Dynamics, 2015. Vol. 252. Pp. 1-13.
13. Wei Y.P., Wu Y.P. Thermal and mechanical characteristics of contact friction pair based on 3-D wheel/rail-foundation contact vertical system. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2019. Vol. 657. Pp.1-9.
14. GOST 33597-2015. Tormoznie systemy zheleznodorozhnogo podvizhnogo sostava. Metody ispytanii [Brake systems of railway rolling stock. Test methods], 2016. 32 p.
15. Milosevic M.S., Stamenkovic D.S., Milojevic A.P., Tomic M.M. Modeling thermal effects in braking systems of railway vehicles. Thermal science, 2012. Vol. 16. Pp. 515-526.
16. Ivanov P.Yu., Manuilov N.I., Dulskii E.Yu., Khudonogov A.M. Issledovanie raboty stabilizatora krana mashinista usl. No. 395 [Study of the operation of the crane operator's stabilizer, conditional number 395]. Innovatsionnye proekty i tekhnologii mashinostroitelnykh proizvodstv: Materialy vtoroi vserossiiskoi nauchnoi tekhnicheskoi konferentsii [Innovative projects and technologies of machine-building productions: Materials of the second all-Russian scientific and technical conference]. Omsk Transport university Publ., Omsk, 2017. Pp. 63-69.
17. Khudonogov A.M., Ivanov P.Yu., Manuilov N.I., Dulskii E.Yu. Upravlenie operativnymi protsessami raboty sortiro-vochnoi stantsii na osnove primeneniya iskusstvennykh neironnykh setei [Management of operational processes of the marshalling station based on the use of artificial neural networks]. Izvestiya peterburgskogo universiteta putei soobshcheniya [News of the Saint Petersburg University of railway transport], 2018. Vol. 15. No. 1. Pp. 130-135.
18. Ivanov P.Yu., Romanovskii A.I., Hamnaeva A.A., Korsun A.A., Borutenko A.S. Povyshenie effektivnosti raboty tormoznoi sistemy passazhirskikh poezdov [Improving the effectiveness of the passenger train brake system] Transport: nauka, tekhnika, upravlenie [Transport: science, technology, management], 2020. No. 3. Pp. 39-43.
19. Ivanov P.Yu., Khamnaeva A.A., Khudonogov A.M. Snizhenie energopotrebleniya elektrovoza pri upravlenii pnevmaticheskimi tormozami gruzovogo poezda [Reduction of power consumption of an electric locomotive when controlling pneumatic brakes of a freight train]. Razrabotka i ekspluatatsiya elektrotekhnicheskikh kompleksov i sistem energetiki i nazem-nogo transporta: Materialy tret'ei mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii [Development and operation of electrical complexes and systems of power engineering and ground transport: Materials of the third international scientific and practical conference], 2018. Pp. 143-151.
Информация об авторах
Иванов Павел Юрьевич - канд. техн. наук, доцент кафедры электроподвижного состава, Иркутский государственный университет путей сообщения, г. Иркутск, e-mail: savl.ivanov@mail.ru
Дульский Евгений Юрьевич - канд. техн. наук, доцент кафедры электроподвижного состава, Иркутский государственный университет путей сообщения, г. Иркутск, e-mail: e.dulskiy@mail.ru
Хамнаева Алена Александровна - аспирант Иркутского государственного университета путей сообщения, кафедра электроподвижного состава, e-mail: alenalend95@mail.ru Корсун Антон Александрович - аспирант Иркутского государственного университета путей сообщения, кафедра электроподвижного состава, e-mail: korsunanton1998@gmail.com
DOI 10.26731/1813-9108.2020.4(68).158-165
Information about the authors
Pavel Yu. Ivanov - Ph.D. in Engineering Science, Associate Professor of the Subdepartment of the Electric Rolling Stock, Irkutsk State Transport University, Irkutsk, e-mail: savl.ivanov@mail.ru
Evgenii Yu. Dul'skii - Ph.D. in Engineering Science, Associate Professor of the Subdepartment of the Electric Rolling Stock, Irkutsk State Transport University, Irkutsk, e-mail: e.dulskiy@mail.ru
Alena A Khamnaeva - Ph.D. student of Irkutsk State Transport University, the Subdepartment of the Electric Rolling Stock, e-mail: alenalend95@mail.ru Anton A. Korsun - Ph.D. student of Irkutsk State Transport University, the Subdepartment of the Electric Rolling Stock, e-mail: korsunantonl 998@gmail.com
УДК 656.025, 656.01
Исследование процессов взаимодействия элементов транспортно-технологической системы региона
Ю. О. Полтавская1^, А. П. Хоменко2, О. Д. Толстых2
1Ангарский государственный технический университет, г. Ангарск, Российская Федерация 2Иркутский государственный университет путей сообщения, г. Иркутск, Российская Федерация И juliapoltavskaya@mail.ru
Резюме
Функционирование экономической и непроизводственных отраслей любого региона невозможно без транспортно-технологической системы. Она представляет собой взаимосвязь различных видов транспорта при осуществлении технологических процессов. Эти отношения включают местоположение пунктов отправления / прибытия, пространственно выражающее спрос, потоки между ними и инфраструктуру. Все компоненты транспортно-технологической системы подчинены одной цели - удовлетворение потребности в передвижении пассажиров, грузов и информации на основе комплексного взаимодействия с окружающей средой. В результате анализа исследований взаимодействия отдельных элементов системы было выявлено, что не существует единой модели для всех типов взаимодействия. Представлена схема классификации транспортно-технологической системы, которая состоит из материальных (физических) объектов (участники движения и грузовые потоки), самого транспортного процесса и регулирования деятельности. На основе систематизации свойств и факторов, влияющих на результаты и параметры транспортного процесса, описана модель уровней взаимодействия элементов системы, которая может быть применена для всех видов транспорта. С целью оценки важности уровней взаимодействия параметров транспортного процесса был рекомендован метод двойного сравнения, который позволяет сравнивать взаимодействия элементов не одновременно, а попарно и при этом учитывать важность взаимодействия одного элемента по сравнению с другим. В результате можно сделать вывод, что классификация материальных элементов транспортно-технологической системы может быть использована для описания любого взаимодействия, а предложенный метод двойного сравнения позволяет заменить качественные показатели, задаваемые экспертами, на количественные. Это значительно сокращает трудоемкость расчетов и делает возможным использование полученного решения для планирования транспортного процесса.
Ключевые слова
транспортно-технологическая система, взаимодействие элементов системы, виды транспорта, транспортный процесс, метод двойного сравнения
Для цитирования
Полтавская Ю. О. Моделирование процессов взаимодействия элементов транспортно-технологической системы региона / Ю. О. Полтавская, А. П. Хоменко, О. Д. Толстых // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. -2020. -№ 4 (68). - С. 158-165. - БО!: 10.26731/1813-9108.2020.4(68).158-165
