[ РОСЖЕЛДОР
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ростовский государственный университет путей сообщения»
(ФГБОУ ВПО РГУПС)
На правах рукописи
ГЛАЗУНОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СМАЗЫВАНИЯ ГРЕБНЕЙ КОЛЕС
ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА И РЕЛЬСОВ
Специальность 05.02.04 – Трение и износ в машинахДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор И.А. Майба Ростов-на-Дону
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………….. 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ………………….... 1.1 Особенности взаимодействия колесной пары с рельсом в кривой пути………………………………………………………………………. 1.2 Виды износа трибоконтакта «колесо-рельс»……………………………....... 1.3 Смазочные материалы, используемые в трибоконтакте «колесо-рельс»………………………………………………………….…….……. 1.4 Основные технологии смазывания трибоконтакта «колесо-рельс»…………………………………………………………….……….. 1.5 Цель и постановка задачи исследования……………………………………...2 ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ
«ГРУЗОВОЙ ЭЛЕКТРОВОЗ, ОСНАЩЕННЫЙ БЕСПРИВОДНЫМИ ГРС –
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ПУТЬ»…………………………………………………. 2.1 Динамическое подобие механической системы «грузовой электровоз, оснащенный бесприводными ГРС – железнодорожный путь»……………….... 2.2 Динамические модели механической системы «грузовой электровоз, оснащенный бесприводными ГРС - железнодорожный путь»…………………. 2.3 Физическое подобие механической системы «грузовой электровоз, оснащенный бесприводными ГРС – железнодорожный путь»…………………. 2.4 Идентификация нагрузочно-скоростных режимов испытаний и расхода пластичного смазочного материала……………………………………………… 2.5 Выводы……………………………………………………………….…………3 МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ……………………………….... 3.1 Этапы исследований…………………………………………………………... 3.2 Оборудование и инструмент………………………………………………….. 3.3 Материалы и образцы…………………………………………………………. 3.4 Планирование экспериментов………………………………………….….…..СОСТАВ И СТРУКТУРА ПЛАСИЧНОГО СМАЗОЧНОГО
МАТЕРИАЛА……………………….…………….……………………………….. 4.1 Разработка состава пластичного смазочного материала …………………… 4.2 Определение износостойкости оболочки смазочного блока ……………… 4.3 Выводы………….…………….……………………………….………………….…. 5 ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ………………….………………………. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ……………………………………………………………….. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………………….... ПРИЛОЖЕНИЕ……………………….…………………………………………..ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования. Одной из основных проблем железнодорожного транспорта является обеспечение надежности всех элементов подвижного состава и пути. Наиболее напряженным узлом трения является пара «колесо-рельс», поскольку взаимодействие этих деталей одновременно происходит как по поверхностям катания, так и между гребнем колеса и боковой поверхностью рельса.Основной причиной переточки колесных пар является износ гребней. В год перетачивается до 1 миллиона колесных пар.
В настоящее время для снижения износа контакта «гребень колеса рельс» согласно техническим требованиям ОАО «РЖД» на грузовых электровозах широко применяются лубрикаторы, использующие жидкие смазочные материалы (ЖСМ). Основной недостаток этих материалов – возможность попадание на поверхность катания, что снижает коэффициент сцепления.
Для устранения этого недостатка разработан пластичный смазочный материал (ПСМ) РАПС и устройство для его использования (ТУ 3183-002Однако применение ПСМ ограничено температурами 01116006-04).
(+7…+450С), вместо требуемого диапазона (-45 до +500С), что приводит к повышенному износу детали сопряжения.
Учитывая, что стоимость переточки 1 пары составляет около 8 тысяч рублей, не считая затрат на преждевременный выход из строя подвижной единицы, вопрос повышения долговечности колесной пары, путем создания ПСМ с требуемым температурным диапазоном использования является актуальным.
Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение долговечности гребней колес тягового подвижного состава, на основе создания ПСМ, обеспечивающих смазочное действие в эксплуатационном температурном диапазоне работы пары «колесо-рельс».
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
трибосистемы «грузовой электровоз, оснащенный бесприводными ГРС – железнодорожный путь».
Разработка и апробация методики трибомониторинга, позволяющей провести комплекс исследований триботехнических и температурных характеристик в контакте «гребень колеса – боковая грань головки рельса».
эксплуатационном температурном диапазоне работы тягового подвижного состава.
Проведение испытаний базового и разработанного вариантов смазочного материала в условиях работы грузового электровоза, оснащенного бесприводными лубрикаторами в эксплуатационном температурном диапазоне.
Объект исследования: мобильная трибосистема «грузовой электровоз, оснащенный бесприводными гребнерельсосмазывателями – железнодорожный путь».
Методика исследования: разработана физико-математическая модель гребнерельсосмазывателями – железнодорожный путь»; разработана методика трибомониторинга, позволяющая проводить комплекс исследований по определению триботехнических и температурных характеристик в системе «колесо – рельс»; применены методики симплекс – решетчатого планирования и планирования полного факторного эксперимента, на основе которых разработана новая рецептура ПСМ, обеспечивающая режим граничной смазки в исследуемом температурном диапазоне работы.
Научная новизна:
1. Разработана физико-математическая модель системы «грузовой электровоз, оснащенный бесприводными гребнерельсосмазывателями – железнодорожный путь», позволяющая установить коэффициент перехода от натуры к модели исследуемой системы.
характеризующий эффективность действия смазочного материала, для обеспечения идентичности процессов трения в контакте «гребень колеса – боковая грань головки рельса».
3. Используя симплекс – решетчатые планы типа «состав – свойство» и планирование полного факторного эксперимента разработаны рецептура ПСМ и конструкция оболочки ПСМ, обеспечивающего режим граничной смазки и повышенный ресурс трибопары «гребень колеса – боковая грань головки рельса».
Практическая ценность.
триботехнических и температурных характеристик компонентов ПСМ в системе «гребень колеса – боковая поверхность головки рельса».
2. Разработана система видеоконтроля, включающая идентификационный и регистрирующий блоки, и позволяющая исследовать процесс нанесения ПСМ на поверхность гребней колес тягового подвижного состава.
3. В результате проведенных промышленных испытаний, базового и разработанного вариантов конструкции ПСМ в условиях работы грузового электровоза, оснащенного бесприводными лубрикаторами, снижен расход разработанного ПСМ на 29,5% и повышен ресурс гребней колес на 28,4%.
Апробация работы. Основные научные результаты диссертационной работы опубликованы в журналах, включенных в Российский индекс научного цитирования (elibrary.ru): «Трение и смазка в машинах и механизмах» (Москва 2012г., 2013г.); «Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения» (Ростов-на-Дону 2008г., 2010г., 2012г.).
международных конференциях: «Механика и трибология транспортных систем» (г. Ростов-на-Дону 2011 г.); всероссийских конференциях: «ТранспортРостов-на-Дону 2004 г.), «Транспорт-2005» (Ростов-на-Дону, 2005 г.), «Транспорт-2006» (Ростов-на-Дону 2006 г.), «Транспорт-2007» (Ростов-наДону, 2007 г.), «Транспорт-2008» (Ростов-на-Дону 2008 г.), «Транспорт-2009»
(Ростов-на-Дону 2009 г.), «Транспорт-2010» (Ростов-на-Дону 2010. г.) и на областной выставке научно-технического творчества молодежи в разделе «Рационализаторы и конструкторы промышленности» (г. Ростов-на-Дону г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 5 работ в изданиях, утвержденных ВАК, 1 патент на изобретение РФ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, разделов, заключения, 1 приложения и 151 использованного литературного источника. Текстовая часть содержит 145 страниц машинописного текста.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф.
Майбе И.А., а также д.т.н., проф. Кохановскому В.А., д.т.н., проф. Шаповалову В.В., д.т.н., проф. Б.Б. Жмайлову, к.т.н., доц. А.Л. Озябкину за оказанную помощь при работе над диссертацией.
1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Особенности взаимодействия колесной пары с рельсом в кривой Анализ процессов изнашивания трущихся деталей подвижного состава, определение характерных видов основного и сопутствующего изнашивания показывает, что в зоне фрикционного контакта под действием нагрузочноскоростных, температурных, динамических, циклических, коррозионноатмосферных, пылеабразивных воздействий протекают сложные трибофизикохимические явления, в результате которых происходит изнашивание и повреждение контактных поверхностей. Для трибоконтакта «колесо-рельс»характерна эксплуатация в экстремальных условиях (высокие значения контактных давлений Р =2,5 ГПа и температур ТК =1000 °С при скоростях скольжения vск=0,1 - 3 м/с) [40, 41, 42, 115], а одним из наиболее опасных последствий является схватывание, приводящее к заеданию механизма. [26, 40, 41, 42, 98].
При движении по рельсовому пути колесные пары выполняют функции передачи силы тяги, опирания и направления экипажа, а также обеспечения требуемого уровня ускорения при разгоне и замедления при торможении. Все эти функции реализуются в зоне комбинированного фрикционноантифрикционного контакта колеса с рельсом и оказывают существенное влияние, как на работу всего локомотива, так и на безопасность движения в целом. С учетом этого были проанализированы особенности механизма взаимодействия и процесса изнашивания фрикционной системы подвижного состава «колесо-рельс».
При движении экипажа в прямом участке пути траектория его движения носит волнообразный характер из-за возмущающих сил инерции, дефектов пути, наличия зазоров в экипаже и в буксах, неуравновешенных масс и от того, что равнодействующая сила тяги не лежит в одной плоскости с силой сопротивления [22, 32]. Это волнообразное движение, близкое к синусоидальному, вызывает удар реборд колес о рельсы, величина которого будет пропорциональна скорости движения экипажа и углу набегания колес на рельс. Отсюда следует, что при движении по прямому участку пути для снижения удара зазор между ребордой и рельсом должен быть, возможно, меньшим, а база экипажа – большей.
Анализируя работы ученых, исследовавших вписывание экипажа в кривую пути [7, 8, 32, 32, 54, 71, 74, 75], можно говорить, как о доказанном факте, что при движении экипажа в кривом участке пути радиуса R происходит набегание колеса на рельс под некоторым положительным углом, т. е.
гребень стремится пересечь рельс (рис. 1.1). Это приводит к тому, что мгновенная точка касания С колеса с головкой рельса будет находиться сзади точки контакта гребня А с боковой гранью головки рельса на расстоянии L, называемом предварением касания и составляющем от 15-18 мм [39] до 40- мм [7]. Точка А лежит на расстоянии hrk от поверхности катания рельсовой головки, где hrk - глубина касания гребня (6—10 мм [71]).
При значительной величине горизонтальной силы б колесо может приподняться и катиться гребнем по боковой грани головки рельса и, таким образом, будет иметь опору в одной точке (рис. 1.2). В этом случае возможно переползание реборды колеса через рельс. Безопасность движения по кривой оценивается коэффициентом 0 [82, 93]:
где Q - статическая нагрузка.
При двухточечном контакте в точке А будет иметь место скольжение гребня по боковой грани головки рельса. Принимаем точку С за мгновенный центр вращения, скорость скольжения V СК будет равняться:
где rk - радиус колеса; hrk - глубина касания гребня ( hrk обычно равняется 6-10 мм [71]); V - скорость движения подвижного состава.
Определим значения Кск при двух- и одноточечном контактах.
Для двухточечного контакта 10 20 [92]; =70°; rk =625 мм; hrk =10 мм;
lk =45,6 мм; Vсk=0,0747V, т. е. при V=10 м/с (36 км/ч) Vск=0,747 м/с.
Рис. 1.1. Движение экипажа в кривой пути (а) и набегание колеса на рельс (б) Рис. 1.2. Силовое взаимодействие гребня колеса с головкой рельса в кривой пути:
а - одноточечный контакт; б - двухточечный контакт При износе по кругу катания более 1,5-2 мм [7, 71, 92] двухточечный контакт переходит в одноточечный. Площадка контакта получает большие размеры и расположена примерно под углом 35-40° к горизонту [71].
Существенно снижаются скольжение и удельное давление. При одноточечном контакте =1°20'; =35°; rk =625 мм; hrk =6 мм; lk =10,02 мм; Vсk=0,0186V, т.
е. при V=10 м/с (36 км/ч) Vск=0,186 м/с.
Вследствие понижения удельной нагрузки и скорости скольжения на пятне контакта происходит снижение объемной и контактной температуры, что уменьшает износ по причине схватывания и пластического течения металла.
Рассматривая расположение сил, воздействующих на набегающее колесо, было установлено, что на рельс действуют: вертикальная нагрузка G, боковое давление контакте (см. рис. 1.2, а) реакция рельса FR будет равнодействующей нормального давления на контакт FN и силы трения FТ, т. е. FN + FТ = FR.
Положение точки контакта А зависит от угла набегания грани гребня к горизонтали и может быть найдено из выражения:
где tg 0 б / G - отношение бокового давления к вертикальной нагрузке;
tg f коэффициент трения (f=0,1...0,25) [7, 71]. Безопасность движения определится отношением:
Снижение коэффициента трения с 0,25 до 0,1 в результате смазки при 0 =70° приводит к увеличению соотношения б / G c 1,48 до 2,05, что повышает безопасность движения экипажа в кривых, снижает величину тягового усилия и экономит топливо.
При двухточечном контакте (см. рис. 1.2, б) сила FN уравновешивается реакциями рельса FRC и FRА, сходящимися в точке С под углом. Для новых колес локомотивов =70 - 60°, для вагонных - =57°. Нормальные нагрузки в точках контакта с учетом коэффициента трения определяются:
FRC FRC
Если принять, что f1 =0,3 (трение без смазки) и f 2 = 0,1 (со смазкой), то после расчетов получаем, что FNC FRC ; FNА FRА и разница составляет около Отсюда следует, что уменьшение силы трения между гребнем колеса и головкой рельса уменьшает усилие на гребень и повышает давление поверхности катания колеса на поверхность катания головки рельса, что снижает износ гребней.Установлено [7, 32, 48, 71], что при качении колесной пары по рельсу в кривой возможны три основных случая касания между бандажом и рельсом (рис. 1.3). Доказано, что наибольшая интенсивность изнашивания гребней наблюдается в течение 10-15 тыс. км пробега после обточки, т. е. при двухточечном контакте. При росте проката контактирование переходит на выкружку, а между прямолинейным участком гребня и внутренней гранью головки рельса образуется зазор.
а - двухточечное касание для новых бандажей и рельсов; б - одноточечное при изношенных бандажах и рельсах; в - одноточечное по выкружке.
Возникает режим качения колеса с проскальзыванием при одноточечном контакте, и интенсивность изнашивания пары снижается.
особенности взаимодействия колесной пары с рельсом в кривой пути:
- существует два вида силового взаимодействия гребня колеса с головкой рельса в кривой пути: одноточечный контакт; двухточечный контакт, приводящие к повышенному изнашиванию трибоконтакта «колесо-рельс»;
- уменьшение силы трения между гребнем колеса и головкой рельса уменьшает усилие на гребень и повышает давление поверхности катания колеса на поверхность катания головки рельса, что снижает износ гребней.
Износу трибоконтакта «колесо-рельс» посвящены многочисленные исследования [13, 25, 49, 67, 68, 85, 114, 116, 138, 139, 53].
Для установления основного и сопутствующего видов изнашивания пары трения «гребень колеса - головка рельса» согласно ГОСТ 27674- обследовались бандажи колес и головки рельсов, выбракованные по причине их предельного износа.
Выявлено пять различных основных видов износа [32, 33, 34, 48].
электровозов и электросекций, работающих на участке со средним и тяжелым профилем пути и большим числом кривых. Интенсивность изнашивания высокая. Образующая конической части гребня получает криволинейный профиль с большим радиусом кривизны; угол между касательной к образующей и осью колесной пары составляет 65° для электровозных и 70° для моторвагонных бандажей с отклонением 1-2°. Переход от образующей к вершине гребня представляет собой остроконечный профиль с большой пластической деформацией - накатом у моторвагонных бандажей (у электровозных бандажей накат снимается тормозными колодками). Радиус выкружки имеет размер, равный 12-13 мм с плавным переходом к конической части бандажа.
Характерно изношенный гребень колеса (рис. 1.4, а) имеет матовую металлическую поверхность со следами схватывания металла в виде глубоких углублений осповидной формы, направленных снизу вверх, т. е. от выкружки к вершине. Фрикционная поверхность пластически деформирована - закатана.
На электровозных бандажах преобладают мелкие осповидные углубления, на моторвагонных - более крупные. Ближе к вершине гребня число углублений заметно уменьшается, а у самой вершины их нет совсем; они закатываются при течении пластически деформированного металла по направлению к вершине гребня. Выявлено наличие участков «белого слоя» в тех местах, где нет оспин схватывания.
У вершины и выкружки гребня наблюдается износ в результате пластического деформирования, в средней части - схватывания и глубинного выравнивания. Износ и нарушение прочностных характеристик фрикционной поверхности изменяют первоначальную форму гребня колеса, который начинает представлять собой остроконечный профиль с большой пластической деформацией - остроконечным накатом (рис. 1.4, б).
«Осповидный» износ вследствие Рис. 1.4. Внешний вид (а) и поперечное сечение (б) изношенной поверхности Соотношение интенсивности естественных форм износа (прокат и износ гребня) зависит от эксплуатационных условий, однако во всех случаях износ гребня опережает нарастание вертикального проката бандажа.
Второй тип износа наблюдается у бандажей колесных пар локомотивов и электросекций, эксплуатирующихся на равнинных участках с легким профилем пути и малым количеством кривых. В этих случаях прокат бандажа опережает износ гребня, который остается не менее 27-28 мм по толщине. Вид износа остается прежним, но значительно меньше выражено схватывание и задир поверхностей. Радиус выкружки составляет 10-11 мм. Переход от выкружки к поверхности катания - плавный. Износ гребня по высоте неравномерный: у выкружки более интенсивный, поэтому угол между продолжением образующей и осью колесной пары увеличивается до 70-75° при предельном прокате.
К третьему типу износа гребней следует отнести вертикальный прокат, нарастающий с соразмерной интенсивностью, которая находится в прямой зависимости от степени перекоса. Радиус выкружки равен 6-10 мм, переход от образующей конической части к вершине гребня резкий, иногда с остроконечным накатом.
Четвертым типом износа является односторонний подрез гребня из-за неправильной установки колесной пары в раме тележки (большое продольное смещение оси), а также большой разницы в диаметрах бандажей по кругу катания одной колесной пары. Поверхность катания приобретает ступенчатый накат, на гребне после значительного пробега сохраняются следы резца.
Что касается пятого типа износа, то, как известно, для электровозов и электросекций дополнительным фактором, воздействующим на износ, является наличие электрического тока в контакте колесо-рельс. Положительное влияние постоянного электрического тока на износ изучено в работе [48]. Авторы считают, что он оказывает в общем упрочняющее воздействие, так как окисляет поверхности и создает защитные пленки. Влияние переменного электрического тока на износ не изучалось.
Представленные типы износа отличаются различными внешними признаками, а также скоростью износа и формой рабочих поверхностей.
Очевидно, что самый распространенный у подвижного состава электрических железных дорог первый тип износа бандажей является в то же время самым неблагоприятным, так как при обточках происходят значительные потери металла. Рабочие грани головок рельсов в результате интенсивного износа приобретают криволинейный профиль характерной формы. Смещение металла идет вниз по боковой поверхности головки рельса в зоне закругления, которая пластически деформирована и характеризуется наплывами металла износом путем изменения первоначальной формы. Поверхности трения боковой грани головки рельса характеризуются мелкими очагами схватывания и вырывами металла (рис. 1.5).
формы боковой грани рельса Рис. 1.5 Внешний вид (а) и поперечное сечение (6) изношенной поверхности Полученные результаты позволили установить, что основными видами изнашивания гребней колес и боковой грани головки является изнашивание при Сопутствующим является ударно-усталостное изнашивание. Характерно, что усталостный вид изнашивания на фоне протекающих процессов заедания вызывает разрушение поверхностей трения колес и рельсов в результате многократно приложенной динамической нагрузки при напряжениях, значительно меньших, чем в случае однократного их нагружения. При большом разрушение, могут быть ниже не только предела прочности, но и предела упругости. Анализ проведенных исследований показывает, что ресурс работы контактирующих элементов фрикционной системы колесо - рельс может быть увеличен в результате снижения процесса изнашивания в режиме схватывания и заедания при реализации эффективных технологических решений, которые препятствуют образованию фрикционных связей на участках фактического контакта.
Анализ микроструктуры поверхностных слоев рельсов и колес на участках интенсивного износа (рис.1.6) показал значительные изменения в структуре поверхностных слоев исходного вследствие пластической деформации. Зерна основного металла меняют свою форму на продолговатую и смещаются в сторону скольжения.
Рис.1.6 Микроструктура изношенных гребня колеса (а, б) и боковой грани головки рельса (в, г) ( 400): поверхностный слой; основной металл.
Для установления основного и сопутствующего видов изнашивания пары трения гребень колеса - головка рельса обследовались бандажи колес и головки рельсов, выбракованные по причине предельного износа и не подлежащие восстановлению. Изношенные и сильно поврежденные в процессе эксплуатации участки поверхностей трения фотографировались, анализировались и в соответствии с известными признаками видов изнашивания (ГОСТ 27674-88), устанавливались основной и сопутствующий виды износа пары трения «колесо-рельс».
Рис.1.7 Характер износа поверхностей трения гребня колеса (а) и головки свидетельствует о том, что наиболее интенсивно изнашиваются средние части гребня колеса и головки рельса, на которых практически повсеместно имеются следы задира, свидетельствующие о схватывании и заедании.
Степень износа реборд колес и боковых поверхностей рельс является определяющей для безопасной эксплуатации системы «колесо-рельс», а затраты на контроль, профилактические работы и своевременную замену составляют существенную часть общих эксплуатационных расходов.
Используемые сегодня способы снижения износа: увеличение твердости (термическое упрочнение или нанесение износостойких покрытий), нанесение различных смазок имеют ряд ограничений, не позволяющих решить проблему радикально. Связано это с тем, что пара трения «колесо - рельс» предъявляет сложные, порой взаимоисключающие требования:
- нагрузки, возникающие в точке контакта, варьируются от нуля (отсутствие контакта) до максимально возможных значений (задир), следовательно, для каждой зоны нагружения оптимально подходит свой тип смазки – жидкая, консистентная, твердая;
- жесткое требование к отсутствию смазывающих веществ на головке рельса (дорожке качения);
- широкий диапазон внешних факторов: температура окружающей среды, влажность, запыленность, ограничение зоны контакта.
Исследования показывают, что никакое изменение геометрических размеров поперечного профиля колеса и рельса не способно полностью устранить износ гребня колеса и рельса.
Из выражения где тр – коэффициент трения гребня по боковой грани рельса, Yн – сила прижимающая гребень к боковой грани головки рельса и создающая силу трения Rк – радиус колеса по кругу катания; bкт – расстояние от уровня головки рельса до точки прижатия гребня к колесу, видно, что энергию, расходуемую на работу сил трения, можно было бы снизить, если бы удалось уменьшить коэффициент трения тр в точке контакта гребня бандажа и рельса. Для этого вводят в зону контакта смазку.
При применении смазывания гребней слой металла, снимаемого в процессе обточки бандажа для восстановления, значительно меньше, чем в случае отсутствия смазывания (рис. 1.8) [73].
Область изнашивания Потеря материала при восстановлении Рис. 1.8 Влияние смазывания на изнашивание гребня колеса: а) с применением На основании анализа всех полученных результатов был сделан вывод, что наиболее опасными видами изнашивания исследуемой пары трения являются изнашивание при заедании и усталостное изнашивание, а наиболее перспективным направлением решения проблемы уменьшения интенсивности изнашивания гребней колес подвижного состава и рельсов является использование смазывания [2].
1.3 Смазочные материалы, используемые в трибоконтакте «колесо-рельс»
Согласно исследованиям [113] современные смазочные материалы, вносимые в зону трибоконтакта «колесо-рельс», не только должны снижать износ, но и уменьшать сопротивление движению и трение между колесом и рельсом. Это способствует снижению расхода топлива на тягу поездов и шумового воздействия на окружающую среду, а также позволяет контролировать соотношение поперечных и вертикальных сил при вписывании экипажа в кривые в целях уменьшения риска схода колеса с рельса, тем самым, повышая эффективность эксплуатационной деятельности и безопасность движения.
Для обеспечения требуемой долговечности функционирования смазанного узла трения следует стремиться к тому, чтобы смазочный материал отвечал условиям работы сопряжения.
Одним из способов выбора смазочного материала является выбор типа смазочного материала по данным А.Р. Лансдауна [3, 26, 27, 84, 101].
НАГРУЗКА
ТВЕРДАЯ СМАЗКА
КОНСИСТЕНТНАЯ
СМАЗКА
ЖИДКАЯ СМАЗКА
СКОРОСТЬ
СКОЛЬЖЕНИЯ
Рис. 1.9 Выбор типа смазочного материала по А.Р. Лансдауну Если тип смазочного материала жестко не предопределен условиями работы смазываемого узла трения или его конструкцией, то выбор типа смазочного материала, по данным А.Р. Лансдауна, ориентировочно может быть осуществлен исходя из соотношения между относительной скоростью перемещения трущихся тел и удельными нагрузками во фрикционном контакте (рис. 1.9).Согласно техническим требованиям ОАО «РЖД» смазочные материалы для лубрикации зоны контакта колес и рельсов должны легко наноситься, не разбрызгиваться, не крошиться, не скалываться и удерживаться на боковой грани головки рельса (на гребне колесной пары локомотива), не гидролизоваться при:
- скоростях движения передвижного рельсосмазывателя (локомотива) от 3 км/ч до 140 км/ч;
- рабочем давлении в системе до 3 ГПа;
- нормированном расходе смазочного материала;
- температуре атмосферного воздуха от минус 45С до плюс 50С, в том числе в условиях 100% влажности.
Для смазывания системы «колесо – рельс» применяют смазочные материалы, агрегатное состояние которых меняется от жидкого до твердого.
При оценке лубрикационных свойств этих материалов надо учитывать значительное число факторов и, кроме того, влияние окружающей среды, способ нанесения, состояние поверхности рельсов и ряд других факторов.
Применяемые в настоящее время для смазывания системы «колесо-рельс»
смазочные материалы по своему агрегатному состоянию делятся на жидкие (масла); пластичные (пластичные смазки); твердые (рис. 1.10).
СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В
ТРИБОКОНТАКТЕ «ГРЕБЕНЬ КОЛЕСА – БОКОВАЯ
ГРАНЬ ГОЛОВКИ РЕЛЬСА»
ЖИДКИЕ ТВЕРДЫЕ
КОНСИСТЕНТНЫЕ
(МИНЕРАЛЬНЫЕ (СМАЗОЧНЫЕ
SOYTRAK
Рис. 1.10 Классификация смазочных материалов, используемых в Жидкие смазочные материалы представляют собой базовые масла, в которые добавляют присадки. Введение присадок обеспечивает специализацию и многофункциональность смазочных материалов.Пластичные смазки занимают промежуточное положение между маслами и твердыми смазочными материалами. Они являются многокомпонентными коллоидными системами, содержащими дисперсионную среду – жидкую основу (масло) и дисперсную фазу – твердый загуститель (5...30 %). Под воздействием загустителя жидкое масло становится малоподвижным подобно твердому телу, не меняет под действием собственного веса своей формы, а течь начинает лишь под воздействием нагрузок, превышающих некоторый предел прочности. Пластичные смазки обычно содержат добавки (присадки и наполнители) для улучшения эксплуатационных свойств. Наряду с обычными маслами распространение получили полужидкие смазки (2...5 % загустителя).
Твердые смазочные материалы - нанесенные каким-либо методом на поверхность трения тонкие слои материала, обладающего значительно меньшим сопротивлением сдвигу, чем сопротивление сдвигу материала, из которого изготовлены трущиеся детали.
Согласно данным [1], с целью обеспечения нормативных показателей износа в зоне контакта «колесо-рельс» на сети железных дорог Российской Федерации применяются следующие типы смазочных материалов:
- графитовый концентрат РС-6 «В» и РС-6 «Ву» по ТУ 2113-131в передвижных рельсосмазывателях системы ВНИКТИ на базе локомотивов;
- смазки Пума-МР по ТУ 0254-006-17368431-07 в передвижных вагонахрельсосмазывателях конструкции ВНИИЖТ, ВНИКТИ, по проекту 202.00.00.000 РЭ и типа ОЗПМ;
- смазки КР-400 по ТУ 0254-213оп-01124323-2006 в передвижных рельсосмазывателях конструкции ВНИИЖТ, эксплуатируемых на СевероКавказской железной дороге;
- смазки МС-27 по ТУ 2113-004-70470322-2009 в передвижных рельсосмазывателях конструкции ВНИКТИ, эксплуатируемых на ВосточноСибирской железной дороге, в вагонах-рельсосмазывателях конструкции ВНИКТИ и ЗАО «Фирма Твема»;
- смазки Пума-МЛ по ТУ 0254-005-17368431-07 и СПЛ по ТУ 32ЦТ2186в стационарных путевых лубрикаторах РС-05 и СПР-02;
- смазки Пума-МГ по ТУ 0254-004-17368431-07, стержней РАПС-1, РАПС-2 по ТУ 0254-001-01116006-2006 соответственно в гребнесмазывателях типа АГС и ГРС;
- смазки СР-КУМ по ТУ 0258-002-62768160-2011 в передвижных рельсосмазывателях на базе электровозов ВЛ60, в вагонах-рельсосмазывателях Забайкальской дирекцией тяги и Забайкальской железной дорогой;
эксплуатируемые Забайкальской дирекцией тяги.
экологически чистую жидкую смазку TORCL-40, пригодную для обработки головки и рабочей выкружки рельсов, а также гребней колес локомотивов. Она в настоящее время используется на нескольких сортировочных станциях в районе Мексиканского залива [132, 135].
Компания MPL Technology поставляет железным дорогам США, Канады, Бразилии и Мексики с особо тяжелыми режимами эксплуатации твердые смазочные материалы, изготавливаемые в виде стержней, содержащие такие противозадирные и противоизносные присадки, как дисульфид молибдена и графит. Их применение приводит к снижению трения и износа за счет нанесения материала стержней на гребни колес локомотива и последующего его переноса на внутренние грани головки рельсов. В результате на поверхности как рельсов, так и колес образуется прочная пленка смазочного материала.
В кооперации с компанией Environmenral Lubricants Manufactoring (ELM), занимающейся выпуском экологически чистых смазок, Portec Rail внедрила всесезонный смазочный материал SoyTrak для лубрикации рельсов в кривых, что может почти полностью исключить смену смазки в течение года в районах, где температура рельсов может колебаться в диапазоне от -18 до +60 °C. Смазка SoyTrak изготавливается из соевого масла Biotechbased и имеет патентованную формулу, разработанную ELM совместно с железными дорогами первого класса и компанией Portec Rai [142].
Kelsan/Protec, Superior Graphite и Friction Managment в течение длительного времени сохраняют свою консистенцию, стабильны по составу и безопасны для окружающей среды. Такие вещества не только снижают уровень шума, но и предохраняют контактирующие поверхности колес и рельсов от повреждений, сокращая тем самым расходы по техническому содержанию пути.
Рис. 1.11 Замасливание рельсов а) и колес б) в результате неэффективного воздействия смазочного материала.
Основными недостатками консистентных смазочных материалов являются плохая охлаждающая способность трущихся поверхностей, отсутствие выноса продуктов износа из зоны трения, сложность подачи к системе «колесо-рельс». Жидкие смазочные материалы требуют повышенной герметизации систем подачи смазки для предотвращения их вытекания и загрязнения тяговой поверхности колеса и верхнего строения пути (рис. 1.11).
Твердые смазочные материалы обладают низкой адгезией, отсутствием достаточной толщины нанесенного слоя, высокой стоимостью.
Как показывает практика, эффективность рассмотренных смазочных материалов не значительна, так как их применение не позволяет достигнуть желаемого эффекта снижения трения и износа и не обеспечивает требуемую долговечность гребней бандажей колесных пар и рельсов.
В настоящее время на сети железных дорог широкое распространение для смазывания трибоконтакта «колесо-рельс» получили консистентные смазочные материалы.
Наиболее перспективным смазочным материалом можно выделить нанопористое антифрикционное покрытие РАПС, позволяющее дозировано и с высокой точностью наносить смазочный материал в виде смазочных стержней, на боковую грань головки рельса. Однако основным недостатком данного вида смазочного материала, не отвечающим условиям работы трибоконтакта «колесо-рельс», является ограниченный температурный диапазон работы стержней.
Руководства железных дорог мира и нашей страны многочисленными постановлениями продолжают добиваться увеличения ресурса колесных пар подвижного состава и общей эффективности эксплуатации железнодорожного транспорта. И ставят следующие требования:
- увеличение межремонтного тоннажа верхнего строения пути до млрд.т;
- увеличение ресурса вагонных колес до 1,3 млн. км;
- увеличение ресурса бандажей колесных пар локомотивов не менее чем до 1,0 млн. км;
- снижение удельного расхода топлива и электроэнергии на тягу поездов на 10-15%.
Поэтому весьма важным представляется поиск рациональных смазочных материалов и методов нанесения на трибосистему «колесо – рельс».
1.4 Основные технологии смазывания трибоконтакта Работы по гребнерельсосмазыванию на железных дорогах мира в настоящее время сконцентрированы на углубленной сравнительной оценке свойств различных технологий смазывания, разработке оптимальных режимов нанесения смазки на рельсы в разных эксплуатационных условиях, определение воздействия при этом песка, а также создание сухих антифрикционных смазок – покрытий [72, 79, 94, 95, 97, 104, 107, 109, 112, 117, 118, 130,133, 134, 137, 141, 143].
ТЕХНОЛОГИИ
ГРЕБНЕРЕЛЬСОСМАЗЫВАНИЯ
ПУТЕВЫЕ
БОРТОВЫЕ ПЕРЕДВИЖНЫЕ
СТАЦИОНАРНЫЕ
ФОРСУНКИ, ФОРСУНКИ, ВАГОН,
СТЕРЖНЕВЫЕ ЛОКОМОТИВ,
ПЛАСТИНЫ
ЛУБРИКАТОРЫ АВТОМОТРИСА
Рис. 1.12 Классификация технологий смазывания До настоящего времени на железных дорогах мира использовались три основные системы смазывания с применением гребнерельсосмазывателей (лубрикаторов) (рис. 1.12):а) бортовые (на подвижном составе: форсунки, гребнесмазыватели стержневого типа) [65, 69, 70, 105];
б) путевые стационарные [106].
в) передвижные рельсосмазыватели [23].
локомотиве, применяемом в поездной или маневровой работе, или секциях моторвагонного подвижного состава. Предназначено для нанесения смазочного материала на гребни колес.
Рассмотрим основные типы бортовых гребнесмазывателей.
По типу смазочного материала используют два вида бортовых гребнесмазывателей (с использованием твердых и жидких смазочных материалов).
Одним из последних достижений в области улучшения параметров антифрикционного контакта «колесо – рельс» являются применение в ряде стран (США, Канада, Франция) бортовых гребнесмазывателей, разработанных компанией «Portec Railway Maintenance Products» и фирмой «Kelsan Lubricants».
Особенностью работы данных гребнесмазывателей является контактный способ подачи твердого смазочного материала, который сводит к нулю вероятность попадания смазочного материала в зону реализации тягового усилия. При этом практически нет ограничений по скорости движения базового подвижного состава, так как в этом случае ветровая нагрузка, динамика взаимодействия пути и экипажной части не оказывают влияние на точность гребнерельсосмазывателей дает возможность отменить специальные технологические окна в графиках движения для пропуска локомотивов – рельсосмазывателей на обычных и высокоскоростных участках, отказаться от использования операторов, осуществляющих управление процессом нанесения смазочного материала, уменьшить влияние человеческого фактора на управление процессами смазывания.
Гребнесмазыватели используют для смазывания трибоконтакта «колесорельс» при помощи модификаторов трения: LCF – с коэффициентом трения менее 0,2; HPF – с коэффициентом трения 0,2…0,4; VHPF – с коэффициентом трения 0,4 и более при значительных проскальзываниях колеса (рис. 1.13).
Рис. 1.13 Зарубежные гребнерельсосмазыватели а) LCF, б) HPF, в) VHPF Одним из основных недостатков бортовых гребнесмазывателей контактного типа является недостаточное нанесение модификаторов на поверхность колеса.
В нашей стране наибольшее распространение получили бесконтактные автоматические гребнесмазыватели АГС8 на основе жидких смазочных материалов производства НПП «ФРОМИР» [37, 38] (рис. 1.14). Системами АГС8 оборудовано более 7000 единиц подвижного состава ОАО «РЖД», промышленного транспорта и метрополитена. АГС8 при помощи специальных дозирующих форсунок наносят смазку только во время движения локомотива на гребни набегающих колсных пар в количестве трх граммов на километр. В результате на гребнях (при движении по прямой) образуется антифрикционная плнка толщиной порядка 20 микрон. Вследствие взаимодействия гребней с рельсом смазка переносится на боковую поверхность рельса и на последующие гребни. Расчтная толщина смазки на рельсе 0,1 – 0,3 микрона. В качестве смазочных материалов в настоящее время на АГС8 используются «ПУМАМР», ПУМА-МГ. Управление АГС8 осуществляется специальными электронными блоками, оснащнными датчиками пути. В качестве датчика пути для АГС8 могут использоваться сигналы, генерируемые датчиками оборотов колеса (типа Л178), входящими в системы КПД, САУТ, КЛУБ и др.
АГС8 устанавливаются на любом типе подвижного состава.
производства НПП «ФРОМИР» а) в сборе на подвижном составе; б) новые образцы.
Однако бортовые гребнесмазыватели АГС8 обладают и рядом недостатков:
- отсутствие контроля за исправностью оборудования может стать горноперевальному участку гребнесмазыватель просто отключают;
пневматической системы, форсунок, маслостойких шлангов;
высококвалифицированными слесарями при ТР.
смазывания стрелочных переводов с целью уменьшения износа рельсов и колесных пар локомотивов и вагонов, снижения уровня шума и вибрации при движении железнодорожных составов через населенные пункты, а также рационального использования энергии (рис. 1.15). В качестве смазки в использоваться смазка, основанная на нефти, смазка-производная от природного жира (с графитом или без графита) или смазка на синтетической основе «СПЛ» ТУ 32 ЦТ 2186-93, смазка полужидкая «ПУМА-М» ТУ 0254Tribol GmbH «MOLUB-ALLOY BIOTOP 9418», Rhenus Lub GmbH «Rhenus Norlith BWN 000».
Рис.1.15 Стационарные (путевые) рельсосмазыватели:
При прохождении железнодорожного состава колеса проходят над датчиками. Сигналы от датчиков поступают в электронный блок, который в зависимости от заданного режима работы, формирует импульсы управления электропневматическим клапаном форсунки-дозатора. При каждом импульсе электропневматический клапан открывается на время 0,25 с и форсунка производит выброс порции смазки на боковую поверхность головки рельса.
Для обеспечения распределения смазки вдоль рельса и ее хорошего захвата гребнями колес выброс производится в четыре точки, расположенные вдоль рельса в горизонтальной плоскости. Расстояние между ними регулируемое – от 100 до 200 мм. Размер каждой точки – 8…10 мм. Расположение точек по уровню – регулируемое. Один выброс содержит приблизительно 0,35 см3.
Рассмотренные стационарные рельсосмазыватели обладают сложной многокомпонентной системой: бак, насос, питатели, шланги – следовательно, велика вероятность выхода из строя отдельных компонентов. При ремонте рельсосмазывателей необходимо предъявлять высокие требования к квалификации обслуживающего персонала, к качеству проводимых работ по ремонту или обслуживанию системы. Попадание смазки на дорожку качения приводят к уменьшению тяговых возможностей подвижного состава. Высокая зависимость вязкости смазывающего вещества от температуры окружающей среды позволяет осуществлять смазывание только в ограниченном температурном диапазоне. Стационарные рельсосмазыватели работают на ограниченном расстоянии от места установки.
Передвижной рельсосмазыватель – служебно-технический вагон, локомотив или автомотриса (дрезина), не используемые в поездной или маневровой работе, оборудованные устройством для нанесения смазочного материала на боковую грань головки рельса.
В состав рельсосмазывателя (рис. 1.16) входят четыре модуля, попарно навешиваемые с помощью специальных рам и кронштейнов на внешние части тележек локомотивов и дрезин эксплуатируемых серий. Каждый модуль включает в себя базирующий гребневой ролик с нагнетательным и дозирующим насосом и бесконтактной форсункой, шарнирно-рычажный механизм подвески ролика к раме, пневмопружинный механизм подъема и опускания ролика на рельс, механизм стопорения модуля в транспортном положении. Рабочими являются задние по ходу локомотива модули. Для смазочных смесей имеются два контейнера с устройствами непрерывного перемешивания смазки. Разовой заправки контейнеров смесью достаточно для смазывания плеча длиной до 400км.
Организация работы передвижных рельсосмазывателей связана с необходимостью приобретения специального подвижного состава или монтажа оборудования рельсосмазывателя на магистральных локомотивах сцепным весом 120-200 тс.
Рис. 1.16 Передвижной рельсосмазыватель а) экипажная часть рельсосмазывателя; б) поперечный профиль конструкции рельсосмазывателя Эксплуатация передвижных рельсосмазывателей снижает пропускную способность участка. Кроме того, расход электроэнергии электровозом с рельсосмазывателем составляет порядка 50000 кВтчас в месяц, тепловозом – 12 тонн дизельного топлива.
Серьзной проблемой может стать отсутствие свободных ниток в графике для пропуска рельсосмазывателей РСМ, особенно на однопутных участках пути с учтом низкой скорости их рабочего движения.
Учитывая вышеизложенное можно сделать заключение:
- основными видами изнашивания исследуемой пары трения «колесорельс» является изнашивание при заедании и усталостное изнашивание;
- наиболее быстрореализуемым и управляемым способом уменьшения интенсивности изнашивания пары трения «колесо-рельс» является введение в зону контакта третьего тела с заданными характеристиками;
- в настоящее время не существует технологий лубрикации полностью отвечающих всем условиям работы трибоконтакта «колесо-рельс»;
пластичных смазочных материалов (ПСМ), представленных в твердой оболочке (в виде стержней, брикетов, блоков), который сводит к нулю вероятность попадания смазочного материала в зону реализации тягового усилия;
- основным недостатком рассмотренных типов смазочных материалов, используемых в условиях взаимодействия системы «колесо-рельс», является ограниченный температурный диапазон работы.
Следовательно, вопрос о создании ПСМ, работающего в эксплуатационном диапазоне температур системы «колесо – рельс», является важным.
Целью работы является повышение долговечности гребней колес тягового подвижного состава, на основе создания ПСМ, обеспечивающих смазочное действие в эксплуатационном температурном диапазоне работы пары «колесо-рельс».
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
трибосистемы «грузовой электровоз, оснащенный бесприводными ГРС – железнодорожный путь».
Разработка и апробация методики трибомониторинга, позволяющей провести комплекс исследований триботехнических и температурных характеристик в контакте «гребень колеса – боковая грань головки рельса».
эксплуатационном температурном диапазоне работы тягового подвижного состава.
Проведение испытаний базового и разработанного вариантов смазочного материала в условиях работы грузового электровоза, оснащенного бесприводными лубрикаторами в эксплуатационном температурном диапазоне.
2 ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ
«ГРУЗОВОЙ ЭЛЕКТРОВОЗ, ОСНАЩЕННЫЙ БЕСПРИВОДНЫМИ ГРС
- ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ПУТЬ»
Одним из способов проверки проектных решений фрикционных механических систем (ФМС) на стадии проектирования является разработка соответствующей физической модели и ее воспроизведение на испытательном стенде с моделированием реальных условий эксплуатации. Машина или механизм являются ФМС и состоят из линейной части механической подсистемы и существенно-нелинейной подсистемы фрикционного (или фрикционных) контакта (или контактов) [10, 14, 15, 24, 43, 44, 45, 46, 50, 80,120, 121, 122, 123, 125]. Исследование и оптимизация триботехнических параметров узлов трения вне механической системы, как показывает практика многих научно-исследовательских центров, дают очень противоречивые результаты.Основой методики физико-математического моделирования фрикционных систем являются следующие постулаты [9, 14, 43]:
- между динамическими процессами, протекающими на фрикционном контакте и в механической системе, имеется существенная нелинейная связь:
изменение на 3 – 5 % жесткости какой-либо связи механической системы может изменить на порядок и более выходные триботехнические параметры узла трения, а при незначительном изменении условий фрикционного взаимодействия возможно возникновение фрикционных автоколебаний и связанных с ними динамических нагрузок в механической системе, превышающих максимальную статическую нагрузку в 10 – 15 раз;
- квазилинейные подсистемы фрикционных систем – механические системы объекта и модели описываются одной и той же системой дифференциальных уравнений, что, соответственно, обеспечивает совпадение основных частот и форм собственных колебаний натурной и модельной механических систем;
- процесс физического моделирования заключается в обеспечении равенства физико-механических свойств контактирующих материалов, объемных температур и их градиентов, равновесных шероховатостей, видов износа и его интенсивности, коэффициентов трения и их стабильности для натурных и модельных испытаний;
- предварительные исследования трибологических свойств пар трения возможно приводить на стандартных машинах трения при соблюдении масштабных коэффициентов основных факторов, определяющих следующие свойства трибоузла: физико-механические, нагрузочно-скоростные, тепловые, микро- и макро-геометрические, взаимного перекрытия и т.п.
Моделирование ФМС состоит из трех этапов:
- построение динамической модели механической системы объекта исследования и выявление констант динамического подобия механической подсистемы;
фрикционного контакта;
- построение модели фрикционно-механической системы.
В качестве исследуемой механической системы была выбрана динамически нагруженная упругая система «грузовой электровоз, оснащенный бесприводными ГРС – железнодорожный путь».
2.1 Динамическое подобие механической системы «грузовой электровоз, оснащенный бесприводными ГРС – железнодорожный путь»
Динамически нагруженная упругая система «грузовой электровоз, оснащенный бесприводными ГРС – железнодорожный путь» состоит из двух упругих механических подсистем (грузовой электровоз, оснащенный бесприводными ГРС и железнодорожный путь). Взаимодействие между ними осуществляется через существенно нелинейные подсистемы контактов «смазочный блок – колесо» и «колесо – смазочный материал блока - рельс».
Во время эксплуатации геометрические правильные формы колеса и рельса приобретают отклонения, неровности различных размеров. При движении по неровностям колеса грузового электровоза, оснащенного бесприводными ГРС (далее электровоз) совершают сложные пространственные перемещения, которые вызывают колебания рессорного блока и от него передаются на кузов. Во время движения кузов совершает различные колебания:
- возвратно-поступательные: подпрыгивание, относ, подергивание;
- вращательные колебания: боковая качка, галопирование, виляние.
При прохождении электровоза путь, под ним тоже вовлекается в колебательный процесс.
Причины появления неровностей на рельсах верхнего строения пути:
- отклонение от проектного положения рельсовых плетей по профилю и плану;
- отклонение размеров колесных пар от номинальных;
- волнообразный износ головки рельса: длинные неровности длинной более 0,25м и короткие – менее 0,25м;
- динамические неровности на поверхности катания колес: отклонение от круглого очертания поверхности катания, ползуны и т.п.;
- неравноупругость пути из-за загрязнения балластной призмы, качества подбивки шпал, типом скрепления и т.п.
Динамика электровоза во время движения подразделяется на следующие виды:
- горизонтальную – перемещения в горизонтальной плоскости;
- вертикальную – перемещения в вертикальной плоскости вдоль оси пути;
перпендикулярной оси пути;
- продольную – перемещения вдоль оси пути.
Железнодорожный путь под воздействием колебаний электровоза также вовлекается в колебательный процесс. Вследствие этого при движении железнодорожного пути, неподрессоренных масс и надрессорного строения, а горизонтальные, поперечные и продольные), подчиняющиеся вероятностным закономерностям.
Известно, что спектральный состав собственных частот колебаний механической системы электровоза охватывает основную часть диапазона собственных частот колебаний верхнего строения пути [10].
Механическая система представляется в виде эквивалентной расчетной схемы (рис. 2.1, 2.2). Условием динамической эквивалентности исходной и приведенной системы является равенство величин кинетической и потенциальной энергий до и после приведения. Система масс расчетной эквивалентной схемы механической системы имеет число степеней свободы, равное выбранному числу масс реального объекта, и е движение описывается тем же количеством уравнений. Это дает возможность решить задачу моделирования основных динамических характеристик на основе метода анализа дифференциальных уравнений движения расчетной эквивалентной схемы.
бесприводными ГРС – железнодорожный путь» можно представить как единую механическую систему со многими степенями свободы, состоящую из кузова, тележек, бесприводных ГРС, колесных пар, железнодорожного пути, а также связей между этими элементами. [44, 45, 122,123].
Рис. 2.1 Эквивалентная схема механической системы «грузовой электровоз, оснащенный бесприводными ГРС – Рис. 2.2 Эквивалентная схема механической системы «грузовой электровоз, оснащенный бесприводными ГРС – железнодорожный путь» в поперечном Приняты следующие обозначения:
m1 - масса кузова (корпуса) грузового электровоза;
m j - массы тележек грузового электровоза (j=2…3);
mi - массы колес грузового электровоза (i=4…11);
mg - массы бесприводных ГРС стержневого типа, установленных на раме тележки грузового электровоза (g=12…19);
- приведенная масса пути (масса рельса, шпалы и балласта, приходящиеся на 1 м пути) (k=20…27);
жсткости контакта контактирующих масс кузова и тележек Сj грузового электровоза (j=1…4);
С i - жсткости контакта контактирующих масс тележек и колес грузового электровоза (i=5…12);
С g - жсткости контакта контактирующих масс тележек и бесприводных ГРС (g=13…20);
Сk - жсткости контакта контактирующих масс бесприводных ГРС и колес (k=21…28);
- жсткости контакта гребня набегающего колеса с боковой поверхностью головки рельса (n=29…36);
Сk - жсткости контакта контактирующих масс бесприводных ГРС и колес (k=21…28);
- жсткости вертикального контакта приведнных масс рельс с основанием (m=37…44);
С45 - приведнная поперечная жсткость пути;
Fi - диссипативная сила пружин кузовной ступени подвешивания на раму тележки в поперечном направлении с помощью люлечного механизма (j=1….4);
Fi - диссипативная сила на фрикционном гасителе колебаний тележек (i=5….12);
i - коэффициент демпфирования бесприводных ГРС, установленных на раме тележки при движении грузового электровоза (i=1…8);
F j - поперечная диссипативная связь бесприводного ГРС и колеса (i=13…20);
k - коэффициент демпфирования масс рельс с основанием (k=17…24);
25 - поперечная диссипативная связь на гребне колеса и рельсе.
электровоз, оснащенный бесприводными ГРС – железнодорожный путь», кузов железнодорожный путь рассматриваются как тела обладающие массой (m), сосредоточенной в центре тяжести элемента. Кузов, тележки, бесприводные ГРС, колесные пары, железнодорожный путь считаются абсолютно жесткими телами.
Кузов электровоза опирается упруго через пружины кузовной ступени подвешивания на раму тележки и связан с ней упруго в поперечном направлении с помощью пружинного возвращающего или люлечного механизма. Силы тяги и торможения от тележек к кузову передаются через шкворневое устройство с шаровым шарниром.
Бесприводные ГРС также является упругими телами, поэтому их упругость представим в виде фиктивной пружины С. Замену демпфирующих свойств ГРС эквивалентным вязким значением коэффициента сопротивления, осуществляем при соблюдении равенства рассеиваемых энергий за один период колебаний.
Неровности пути, по которым движется электровоз, одинаковы для левого и правого рельса. При вписывании в кривую боковая поверхность головки рельса имеет также неровности, по которым перемещается гребень колеса.
Каждая масса имеет 6 степеней свободы: Ох, Oy, Oz – линейные перемещения и,, – угловые перемещения. Таким образом, перемещения каждого элемента, выделенного на эквивалентной схеме, будет описываться дифференциальными уравнениями.
На эквивалентной схеме выделяется 27 масс, следовательно, для полного описания динамики электровоза потребуется составить 162 дифференциальных уравнения.
Составим систему дифференциальных уравнений для механической железнодорожный путь» на примере одного вида колебаний электровоза по оси x- подергивание, т.е. в продольном направлении.
Для исследования данной механической системы по эквивалентной составления дифференциальных уравнений динамики используется общее уравнение динамики материальной системы в обобщнных координатах.
При этом за основу берется уравнение Лагранжа второго рода:
где Т – полная кинетическая энергия в заданной обобщнной системе координат qi;
П – потенциальная энергия системы;
сопротивления, характеризует уменьшение (рассеивание) энергии в единицу времени;
Qiвн – внешняя активная сила инерции, действующая на систему в направлении соответствующей обобщнной координаты qi.
На основе уравнения (2.1), получаем дифференциальные уравнения движения:
F11sign( x3 x10 ) F10 sign( x3 x9 ) F12 sign( x3 x11 ) C291 (t );
C311 (t t1 );
C322 (t t1);
C331 (t t2 );
C342 (t t2 );
m10 x10 C27 ( x10 x18 ) F19 sign( x10 x18 ) C11 ( x3 x10 ) F11sign( x3 x10 ) C35 ( x10 x26 ) C351 (t t3 );
m11 x11 C28 ( x11 x19 ) F20 sign( x11 x19 ) C12 ( x3 x11 ) F12 sign( x3 x11 ) C36 ( x11 x27 ) C362 (t t3 ) 4) бесприводных систем гребнерельсосмазывания стержневого типа m20 x20 C29 ( x4 x20 ) C37 x20 17 x20 C371 (t ) C291 (t ) 171 (t ) m21 x21 C30 ( x5 x21 ) C38 x21 18 x21 C382 (t ) C302 (t ) 182 (t ) 191 (t t1 ) 202 (t t1) Но выделение для исследований одного из видов динамик некорректно, т.к. они взаимосвязаны и всегда присутствуют несколько видов динамик во время движения. В зависимости от условий движения доминирование сочетаний видов динамик меняется. В прямом участке пути наибольшее влияние оказывают горизонтальная, вертикальная и продольная динамики, а в кривой – горизонтальная и поперечная.
К тому же основной задачей исследования является разработка ПСМ, работающего в эксплуатационном температурном диапазоне работы трибопары «колесо-рельс», то не имеет смысла описывать динамику всего электровоза.
При вписывании в криволинейный участок пути наибольшие динамические нагрузки воспринимает колесо первой колесной пары, движущееся по внешнему рельсу (рис. 2.3).
Рис. 2.3 Схема сил, действующих на тележку электровоза при На схеме приняты обозначения:
Fi - силы трения, возникающие при контакте колс с рельсами;
H i,Vi - поперечная и продольная составляющие сил трения;
N i - продольная реакция при контакте колеса и рельса при продольном перемещении (i=1…4);
H Т 1 - центробежная сила, действующая на тележку;
У - направляющее усилие, передающиеся гребнем набегающего колеса на рельс.
Поэтому целесообразно рассмотреть упрощнную эквивалентную схему ФМС первой колесной пары и оказывающих на не наибольшее влияние масс, представленную на рис. 2.4.
Для рассмотрения триботехнических характеристик фрикционного узла «колесо-рельс» при движении системы по кривым участкам пути целесообразно на основе эквивалентной расчтной схемы рассмотреть движение элементов системы в продольном и поперечном направлениях, в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Соединение кузова и тележки электровоза имеет значительную жесткость и на динамические параметры не оказывает заметного влияния, поэтому в целях упрощения и оптимизации эквивалентной схемы она объединена с кузовом.
Следует так же добавить, что при вписывании в кривую наибольшее влияние оказывают на грузовой электровоз поперечная и горизонтальная динамики, поэтому галопированием пути можно пренебречь (рис. 2.5).
Рис. 2.5 Схема расположения упруго-диссипативных связей между представить в виде четырх массной эквивалентной схемы, которая в полной мере описывается по 4 координатам: в продольном и поперечном направлениях – Ох, Oy; угловым перемещениям – боковая качка () и виляние ().
На основе эквивалентной упрощенной схемы передней набегающей колесной пары и уравнения (1), получаем дифференциальные уравнения движения:
1) тележки, оснащенной бесприводными ГРС, обозначив 1/4m3=m3 и 1/ 2) набегающей на рельс колесной пары:
m10 x10 C11 ( x3 x10 ) F11sign( x3 x10 ) C27 ( x10 x18 ) F15 sign( x10 x18 ) C35 ( x10 x26 ) C45 x10 x26 C351 (t t3 );
m10 y10 C11 ( y3 y10 ) F11sign( y3 y10 ) C27 ( y10 y18 ) F15 sign( y10 y18 ) C35 ( y10 y26 ) m11 x11 C12 ( x3 x11 ) F12 sign( x3 x11 ) C28 ( x11 x19 ) F16 sign( x11 x19 ) C36 ( x11 x27 ) C362 (t t3' );
m11 y11 C12 ( y3 y11 ) F12 sign( y3 y11 ) C28 ( y11 y19 ) F16 sign( y11 y19 ) C36 ( y11 y27 ) 3) конструкций бесприводных ГРС:
4) приведенной массы пути:
На основе анализа уравнений движения грузового электровоза в кривой были выведены критерии подобия динамической системы и рассчитаны частоты).
Дифференциальные уравнения движения набегающей на рельс колесной пары и ролика, имитирующего колесо:
mО10 xО10 CО11 ( xО 3 xО10 ) FО11sign( xО 3 xО10 ) CО 27 ( xО10 xО18 ) CО 35О1 (tО tО 3 );
CМ 35М 1 (tМ tМ 3 );
где mо10, mм10 – массы колеса электровоза и ролика, имитирующего колесо; Cо35, Cм35 – коэффициенты жсткости контакта гребня набегающего колеса с боковой поверхностью головки рельса; хо10, хм10 – линейные размеры колеса электровоза и ролика, имитирующего колесо; о10, м10 – собственные частоты колебаний механических систем колеса электровоза и ролика, имитирующего колесо.
Отношения всех характеризующих уравнение величин представляются с помощью масштабов подобия:
где Cm – масштаб подобия массы; CC – масштаб подобия коэффициентов жесткости; Cl – масштаб подобия геометрических размеров; C – масштаб подобия частоты колебаний.
Полученные масштабы подобия вводятся в дифференциальное уравнение (8) для модели Условие тождественности дифференциальных уравнений (8) и (10) приводит к следующим критериям подобия:
В качестве условия динамического подобия принимается равенство частот собственных колебаний модели и объекта, то есть C 1, которое возможно при Cm CC для поступательного вида движения. При соблюдении указанного условия, из (2.16) выводится критерий следует, что масштаб подобия времени испытаний Ct 1.
Аналогичные условия равенства можно получить, рассматривая трех-, четырех-,…, n – массные системы, то есть принятое условие обеспечивает динамическое подобие модели и объекта механических систем для любой n – массной системы.
Для реализации динамического подобия моделируемых механических систем, необходимо, чтобы при поступательном движении механических систем константы подобия масс и линейной жесткости системы были равны, т.
е. Cm CC, а при вращательном движении – равенство констант подобия момента инерции и угловой жесткости системы, т. е. CI CC. При этом модельный эксперимент проводиться в реальном масштабе времени Ct 1, так как, во-первых, C 1 и, соответственно, C Ct 1; во-вторых, при проведении исследования ФМС на физических моделях следует изготавливать модельные пары из тех же материалов, из которых изготовлены реальные поверхности трения. Соответственно временные интервалы релаксации связей фрикционного контакта в реальных и модельных условиях равны, что обеспечивается равенством Ct 1.
2.2 Динамические модели механической системы «грузовой электровоз, оснащенный бесприводными ГРС – железнодорожный путь»
Узлы трения «смазочный блок – ролик» и «ролик – смазочный материал блока - ролик» являются составной частью фрикционно-механической системы «электровоз, оснащенный бесприводными ГРС – железнодорожный путь».
Узел трения «смазочный блок – ролик» представляет собой ПСМ и устройство для его подачи, размещенные в бесприводном гребнерельсосмазывателе, истирающийся о колесо грузового электровоза, совершающее вращательные перемещения.
Рис. 2.6 Модельное представление ФМС «смазочный блок – ролик»: 1бесприводной гребнерельсосмазыватель; 2-смазочный блок; 3- ролик; 4-ПСМ;
5-оболочка блока; - коэффициент теплопроводности; -коэффициент линейного расширения; -плотность; РСВ-нагрузка на блок; V-скорость Блок состоит из твердой оболочки, заполненной ПСМ. Оболочка выполняет функцию держателя ПСМ и регулирует подачу смазочного материала на гребень колеса. ПСМ образует пленку на поверхности гребня колеса и препятствует его износу.
Узел трения «ролик – ПСМ - ролик» представляет собой смазанное колесо, автоматически распределяющее на боковую грань головки рельса смазку с переносом на следующие колесные пары.
Рис. 2.7 Модельное представление ФМС «ролик – ПСМ – ролик»: 1-колесо электровоза; 2-рельс; 3-ПСМ; - коэффициент теплопроводности; коэффициент линейного расширения; -плотность; h – высота микронеровности; r – радиус микронеровности; к – температура поверхности;
– предельное напряжение сдвига; С-удельная теплоемкость; Р-нагрузка колеса на рельс; V-скорость вращения колеса; m1, m2-массы колеса и рельса 2.3 Физическое подобие механической системы «грузовой электровоз, оснащенный бесприводными ГРС – железнодорожный путь»
Обобщая литературные данные методом ранговой корреляции (экспертных оценок) [132], было выделено пятнадцать основных факторов, влияющих на расход ПСМ. Анализ проводился по данным опроса двух групп экспертов:
представителей отраслевой науки и специалистов железнодорожного транспорта.
При сравнении мнений двух групп экспертов расчетный коэффициент ранговой корреляции Спирмена у представителей отраслевой науки составлял 2 34,9, а у специалистов железнодорожного транспорта 2 52,27. В обоих случаях расчетный коэффициент ранговой корреляции Спирмена больше табличного значения, поэтому между мнениями 2-х групп экспертов имеется связь с достоверностью 95%. При этом величина коэффициента конкордации у представителей отраслевой науки составляет W=0,615, а у специалистов железнодорожного транспорта W=0,933.
На основании данного ранжирования построена совместная диаграмма для обоих групп (рис. 9), которая позволяет выделить четыре наиболее значимых фактора.
Сумма рангов колебаний активных микрообъмов поверхностей трения при введении в контакт смазочного материала, 4 - динамическая вязкость смазки, 5 шероховатость поверхности, 6 - нагрузка на гребень колеса, 7 - скорость скольжения колеса, 8 - температура окружающей среды, 9 - объм смазочного материала, 10 - градиент температуры, 11 - время контакта, толщина устройства, удерживающего ПСМ, 13 - работа внешних сил трения, 14 - масса активного микрообъема, 15 - интенсивность охлаждения.
выделены четыре ведущих факторов, оказывающих наибольшее влияние на расход ПСМ. Дальнейшие исследования могут планироваться только для этих переменных.
антифрикционного контакта при взаимодействии колеса с рельсом в кривой электровоз, оснащенный бесприводными ГРС – железнодорожный путь», характеризующая расход min, в виде общей функциональной зависимости:
min N ;Vkач ;TК ; l; t; grad ; Pk ;т ;Тоб ; h;VСМ ;; A; m; I 0, (2.18) где N - нагрузка на гребень колеса, Н; Vск - скорость скольжения колеса, м/с; Tк - температура окружающей среды; 0С; l - линейный размер, м; t - время контакта, с; grad - градиент температуры, К/м; Pк - контактное давление, Па;
m - динамическая вязкость смазки, Па*с; Тоб - толщина оболочки устройства, удерживающего ПСМ, м; h - шероховатость поверхности, м; VСМ - обьем смазочного материала, м3; - частота колебаний активных микрообъмов поверхностей трения при введении в контакт смазочного материала, Гц; A работа внешних сил трения, Дж; m - масса активного микрообъема, кг; I0 интенсивность охлаждения, Вт/м2.
Согласно полученной выше априорной информации, выделены основные базисные параметры в системе МLТ, оказывающие наиболее существенное влияние на расход смазочного блока в системе «грузовой электровоз, оснащенный бесприводными ГРС – железнодорожный путь»:
– нагрузка на гребень колеса, q ( Н);
– скорость скольжения колеса, Vск (м/с);
– температура окружающей среды, Тk (°C);
– толщина оболочки устройства, удерживающего ПСМ, Тоб (м).
определяющим критерием достоверности модельного эксперимента является:
идентичность частот и форм колебаний определением динамических свойств видов изнашивания и физических свойств материалов. Данным критерием при прочих равных условиях будет равенство контактного давления, частот колебаний и градиента температур, т.е. учитывая вышесказанное, в качестве краевых условий, константы, подобия которых равны единице, выбираем:
- частота колебаний активных микрообъмов поверхностей трения при введении в контакт смазочного материала, (Гц);
- температурный градиент, grad (град/м);
- контактное давление, PК (МПа).
То есть, Сi=1; Сgrad i =1; СРк=1, что достигается применением одинаковых параметров модели и натуры.
Таблица размерности параметров, входящих в уравнение в системе [М], [L], [Т], [] ( масса, длина время и температура).
Таблица 2.1 – Перечень и размерность параметров Базисный Тоб Толщина оболочки устройства ПСМ Расчт масштабных коэффициентов перехода для принятой модели и натурного образца относительно заданного масштабного коэффициента геометрических размеров Сl проводится по программе, реализующей алгоритм решения линейных уравнений с n неизвестными. Результаты расчта сведены в таблицу 2.2.
Таблица 2.2 – Результаты расчета основных параметров модели узла трения «колесо – рельс»
Скорость скольжения, Vск м/с окружающей среды, t Частота колебаний введении в контакт смазочного материала, Градиент температуры, Шероховатость Интенсивность Уравнение подобия, объединившее полученные критерии, состоит из критериев, так как, согласно теореме Бэкингэма, должно быть равно числу параметров за вычетом четырех базисных:
характеризующих соотношения силовых, теплофизических процессов и процессов работы смазки на поверхности трения [24]:
1. Критерий гомохронности, характеризующий однородность процессов во времени:
моделировании получается, если критерий времени t разделить на критерий пути трения L, то есть : idem. Так как в выражение критерия гомохронности входят параметры V, t, L, то даже если ни один из этих параметров не входит в число базисных, перемножение критериев скорости и времени и деление на критерий пути в результате обеспечивает получение критерия гомохронности.
2. Критерий Био, характеризующий отношение перепада температуры по толщине пластины к разности температур пластины и среды, можно получить, если критерий градиента температуры разделить на критерии разности температур и линейных размеров l:
3. Критерий Нуссельта, характеризующий коэффициент теплоотдачи для жидкостных материалов, можно получить, если критерий пути L разделить на критерий теплопроводности 4. Критерий Фурье, характеризующий для нестационарных процессов соответствие между средней скоростью изменения условий в окружающей среде и средней скоростью перестройки температурного поля внутри тела, получим, если критерий температуропроводности разделим на критерий пути трения L с последующей подстановкой V :
рассматриваемой механической системы необходимо выполнение дополнительно выведенных критериев, однозначно характеризующих исследуемые триботехнические процессы.
Для выполнения идентичности процессов трения был разработан критерий подобия работоспособности ПСМ, характеризующий расход ПСМ, если критерий работы внешних сил трения (взаимодействие колеса и рельса отделенного слоем смазки) умножить на критерий шероховатости колеса и рельса и разделить на критерии динамической вязкости, объема, частоты внутреннего трения смазочных слоев смазки и толщины оболочки ПСМ:
где A-работа внешних сил трения, Дж; h - шероховатость поверхности, м; m-динамическая вязкость смазки, Па*с; Тоб - толщина оболочки ПСМ, м; VСМ – объм смазочного материала; - частота внутреннего трения смазочных слоев, Гц.
2.4 Идентификация нагрузочно-скоростных режимов испытаний и расхода Исходные данные:
1) диаметр тягового колеса локомотива dо = 1,25 м;
2) диаметр ролика модели dм = 0,04 м;
3) частота вращения ролика м = 450 об/мин;
4) время испытаний tм = 12 мин;
5) нагрузка на устройство ПСМ Pм = 40 Н;
6) расход ПСМ Iм = 0,5 мм 7) длина устройства ПСМ lсм = 200 мм.
Расчт 2) Линейная скорость скольжения ПСМ по колесу 3) Угловая частота вращения колеса локомотива.
В соответствии с первой теоремой подобия угловые координаты подобны, тогда C = 1. Однако условием динамической эквивалентности и подобия характерного изнашивания является равенство скорости относительного проскальзывания, CVск = 1. Тогда путь трения и линейная скорость скольжения объекта и модели идентичны, т.е. CL = 1 и CVл = 1.
Получаем, что угловая частота вращения колеса локомотива изменится и составит величину или 4) Интенсивность износа ПСМ в эксплуатации 5) Расстояние, которое пройдт локомотив в эксплуатации. Так как константа подобия времени эксплуатации равна Ct = 1, то путь трения 6) Ресурс ПСМ Таблица 2.3 Константы подобия грузового электровоза ВЛ Время трения при прохождении дуги в 1 рад, с Частота вращения колеса, об/мин Путь, пройденный колесом на длине дуги в 1 рад, м - внутренним Cск C из Величина скольжения внешним Частота вращения чистого об/мин Статическая нагрузка колеса на каток - вертикальной статической;
боковом усилии при непогашенном ускорении 0,7 м/с тормозной колодки, Io Таким образом, выполненные расчеты позволяют определить масштабные коэффициенты перехода от объекта исследования к модельному эксперименту, выполнить стендовые испытания и перенести результаты испытаний на объект исследования.
Определены доминирующие факторы, влияющие на эффективность температурном диапазоне.
трибосистемы «грузовой электровоз, оснащенный бесприводными ГРС – железнодорожный путь».
«смазочный блок – колесо», позволяющая исследовать триботехнические характеристики оболочек ПСМ.
идентичности процессов трения в трибопаре «колесо-рельс».
3 МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования трибологических характеристик компонентов ПСМ, работающего в трибоконтакте «колесо-рельс», проводятся впервые. В этом разделе приведена методика их экспериментальных исследований.Как показали эксплуатационные исследования, проведенные на кафедре «Транспортные машины и триботехника», основным недостатком смазочных блоков является ограниченный диапазон рабочих температур (от +7 до +45 0C).
В климатических зонах с отрицательной температурой окружающей среды происходит затвердевание смазки, что ухудшает е адгезию на гребень колеса, а в климатических зонах с высокой температурой окружающей среды при контакте со смазываемой поверхностью гребня колеса отмечались случаи вытекания смазочного материала из оболочки блока, загрязняя при этом тяговую поверхность колеса [31].
Поэтому основными целями исследований являются разработка рецептуры ПСМ, повышающей температурный диапазон работы ПСМ в трибопаре «колесо-рельс» и улучшающей адгезию ПСМ с гребнем колеса и рельсом.
Общая структурная схема выполняемого исследовательского комплекса приведена на рис. 3.1.
На начальном этапе реализуются:
- выбор компонентов ПСМ (оболочки и смазочного материала);
- выбор или разработка лабораторного оборудования, схем и образцов трибоконтакта;
- определение процентного соотношения компонентов ПСМ.
Система: «Электровоз, оснащенный бесприводными ГРС – Состав Содержание Температура Состав Содержание
ПСМ ПСМ
Определение расхода смазочного материала в трибопаре «колесо-рельс»изнашивания оболочки ПСМ при скольжении самостоятельных этапа, включающих изучение влияния температуры окружающей среды на износ оболочки ПСМ и расход ПСМ. Эти данные сведены в таблицу 3.1. Кроме того, в таблице приводится цель экспериментов, диапазон варьирования качественных и количественных переменных факторов, результаты выхода и прогнозируемая погрешность. Литературные данные по результатам аналогичных исследований и паспортные метрологические характеристики используемого оборудования и приборов позволили установить средние величины экспериментальных погрешностей.
экспериментальных испытаний, воспроизводящих в достаточной мере поведение смазочных материалов в условиях работы колеса и рельса в широком диапазоне температур в эксплуатации. В связи с чем поиск методов оценки и определение свойств колесных и рельсовых смазок является весьма актуальной задачей [29, 35, 60, 62].
Реализация экспериментальных исследований осуществлялась в лабораторном комплексе кафедры «Транспортные машины и триботехника»
ФГБОУ ВПО РГУПС.
Для выбора компонентов ПСМ (оболочки и смазочного материала) использовался:- токарный станок с металлической стойкой и трубкой с целью изучения износа оболочки ПСМ;
- шкаф сушильный с электронной системой регулирования температуры, с целью определения предельного содержания компонентов ПСМ (рис 3.2).
Рис. 3.2 а) Фото шкафа сушильного с электронной системой регулирования температуры: 1 – шкаф сушильный, 2 -отверстие шкафа сушильного, 3 - электронная система регулирования температуры; б) фото диска и металлической стойки с трубкой: 1 - резцедержатель, 2 - диск, 3 металлическая стойка, 4 – трубка; в) схема диска и металлической стойки с трубкой: 1 - резцедержатель, 2 - диск, 3 - металлическая стойка, 4 – трубка Описание разработки методики выбора компонентов ПСМ (оболочки и смазочного материала) представлены в следующих литературных источниках [28, 59, 61, 96].
Экспериментальные испытания осуществлялись с использованием универсального измерительно-вычислительного комплекса предназначенного для проведения трибологических исследований. В состав комплекса входят:
стационарная машина трения 2070 СМТ-1 (поз. 1);
инфракрасный стационарный термометр КЕЛЬВИН ИКС 4-20/5(поз 3);
автоматизированная система регистрации и обработки опытных данных (поз. 8, 9). Процесс проведения экспериментальных исследований представлен на рисунке 3.3.
1 - стационарная машина трения 2070 СМТ-1; 2 - автоматизированная система регистрации и обработки опытных данных; 3 - инфракрасный стационарный термометр КЕЛЬВИН ИКС 4-20/5; 4 - кабель для соединения с компьютером; - инфракрасное излучение; 6 – схема «смазочный блок – ролик»; 7 - схема «ролик – ПСМ - ролик»; 8, 9 – полученные Машина трения 2070 СМТ-1 поз. 1 позволяет варьировать упругодиссипативные характеристики механической системы (изменением жесткости С1 и величины диссипации 1 трансмиссии грузового электровоза; изменением жесткости С2 и величины диссипации 2 рессорного подвешивания грузового электровоза) и упруго-диссипативные свойства фрикционного контакта (изменением передаточного числа и воздействием вибрации на механическую часть установки). Величина проскальзывания в контакте двух роликов регулируется изменением передаточного отношения i путем замены шестернок в каретке. Регистрируются следующие характеристики: величина нормальной нагрузки P; величина реактивного момента сопротивления, действующего на оси ротора двигателя; скорость вращения образцов.
Для определения износа оболочки устройства ПСМ на машину трения устанавливалась принципиально новая схема «смазочный блок – ролик» 6. Для определения расхода и ресурса ПСМ на машину трения 1 устанавливалась ранее используемая схема «ролик – ролик» 7.
Результаты исследований выводились на мониторе компьютера 2 при помощи автоматизированной системы регистрации и обработки опытных данных 8. Данная система регистрации и обработки опытных данных 8 состоит из ПЭВМ типа IBM/PC, многоканальных усилителей вибродатчиков с каналами синхронизации, усилителя сигнала датчиков машины трения СМТ-1, тензоусилителя, платы цифровой обработки сигналов с 9-ти канальным АЦП, соединительных кабелей, источника питания, пакета специализированного программного обеспечения.
Для контроля возможности проявления программной ошибки, запись момента, возникающего на валу машины трения, производилась с помощью стандартного самописца, входящего в комплект 2070 СМТ-1.
поверхностей роликов при помощи бесконтактного термометра КЕЛЬВИН ИКС 4-20/5 3 [100, 150]. Данный термометр монтируется на корпус машины трения при помощи штатного крепления 10.
В ходе исследований, термометр преобразует энергию ИК-излучения 5, излучаемую поверхностью объекта, в электрический сигнал. Эта информация преобразуется в температурные данные. Для настройки режима работы прибор снабжен дополнительным цифровым интерфейсом 9, обеспечивающим связь с COM-портом потребителем и в процессе эксплуатации прибора при условии согласования схемы подключения с производителем.
Номинал резистора R* должен гарантировать напряжение между выводами CL+ и CL- при токе 20мА не более 12-15 Вольт (рис. 3.4).
Цифровой интерфейс применялся при отсутствии любой другой электрической связи между БП и ПК, кроме указанной на схеме. Длина цифровой линии связи 1-3 метра. При штатной работе цепи RS и SG изолируют при длине проводников 10-20 см. С помощью ПК с интерфейсом COM-порт и специальной программы можно:
- откалибровать аналоговый интерфейс датчика, отрегулировав уровни тока 4 и 20 мА для компенсации разброса элементов схемы (во всех поставляемых приборах данная калибровка проведена, производитель раскрывает протокол калибровки по запросу);
- установить в датчике требуемое потребителю значение излучательной способности измеряемой поверхности;
- установить максимально удобную для потребителя шкалу аналогового интерфейса;
- визуально контролировать с возможной регистрацией в файл текущее значение температуры измеряемой поверхности, собственную температуру прибора, выставленное значение излучательной способности.
Для применения цифрового интерфейса подключают датчик как показано на вышеприведенной схеме. Рекомендуется применять стабилизированный источник питания на 9-12 В, не требующий внешнего резистора R*, и использовать максимально точный миллиамперметр. Технические характеристики данного пирометра представлены в таблице 3.2.
ТАБЛИЦА 3.2 ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КЕЛЬВИН ИКС 4-20/5.
ДИАПАЗОН ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР ВИДИМОЙ ПОВЕРХНОСТИ TА -40° … +350°С
«