авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Повышение ресурса колесных пар грузовых вагонов и рельсов путем улучшения условий их взаимодействия и динамического мониторинга

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

АЛЕКСАНДРОВ АНАТОЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА КОЛЕСНЫХ ПАР ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ И РЕЛЬСОВ ПУТЕМ УЛУЧШЕНИЯ УСЛОВИЙ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ДИНАМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Специальности: 05.02.04 – «Трение и износ в машинах» и

05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Ростов-на-Дону

2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Шаповалов Владимир Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шульга Геннадий Иванович

кандидат технических наук, доцент

Коропец Петр Алексеевич

Ведущее предприятие - ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет»

Защита состоится «28» декабря 2011 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 218.010.02 при Ростовском государственном университете путей сообщения (РГУПС) по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан « 26 » ноября 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного

совета Д 218.010.02

д.т.н., профессор И.М. Елманов

Актуальность работы.

Ресурс колес грузовых вагонов и рельсов лимитируется в основном величиной износа гребня колеса грузового вагона и боковой поверхности головки рельса. Уже более десятилетия для снижения интенсивности изнашивания в контакте «гребень колеса – боковая поверхность головки рельса» применяется лубрикация. Однако уровень эксплуатационных затрат, связанный со сверхнормативным износом колес и рельсов, остается ещё достаточно высоким. Ежегодно выделяется около четырех млрд рублей на предупреждение и устранение последствий износа в контакте «гребень колеса – боковая поверхность головки рельса».

Эксплуатационной практикой на отечественных и зарубежных железных дорогах неоднократно доказано, что лубрикация уменьшает износ колес и рельсов в 8-15 раз и повышает их ресурс. Однако отсутствие эффективных систем мониторинга гребне- и рельсосмазывания снижает эффективность применения лубрикации, т.к. не обеспечивается достаточный контроль наличия или отсутствия смазочного материала на боковой поверхности головки рельсов и гребнях колес подвижного состава. Вследствие этого ресурс колес грузовых вагонов вместе с обточками и другими мероприятиями по его повышению не достигает рекомендуемых 600 тыс. км, а ресурс рельсов в кривых участках пути – 0,5 млрд. ткм брутто.

Данная работа посвящена разработке системы контроля состояния контакта «гребень колеса – боковая поверхность головки рельса», в частности мониторингу наличия смазочного материала в контакте, его остаточного ресурса разового нанесения и критических режимов взаимодействия при схватывании.



Цель данной работы – повышение ресурса колесных пар грузовых вагонов и рельсов путем улучшения условий их взаимодействия на базе методики динамического мониторинга контакта «гребень колеса грузового вагона – боковая поверхность головки рельса».

В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие теоретические и практические задачи:

1) создана физико-математическая модель (ФММ) фрикционной системы «путь – грузовой полувагон» и её подсистемы фрикционный контакт «гребень колеса грузового полувагона – боковая поверхность головки рельса», на основе которых получены параметры механической фрикционной системы экспериментальной установки;

2) предложена методика экспериментальной триботермодинамики, позволяющая исследовать объемную температуру в контакте «гребень колеса – боковая поверхность головки рельса»;

3) на базе выполненных исследований и на основе созданной ФММ системы «путь - грузовой полувагон» разработаны рекомендации по улучшению условий взаимодействия в контакте «гребень колеса грузового вагона – боковая поверхность головки рельса»;

4) разработана методика динамического мониторинга контакта «гребень колеса – боковая поверхность головки рельса», которая позволяет в динамике идентифицировать состояние трибоконтакта и прогнозировать его изменение применительно для грузовых полувагонов;

5) получены трибоспектры, соответствующие режимам взаимодействия гребней колес с рельсами при наличии смазочного материала и при протекании процессов схватывания, вследствие отсутствия смазочного материала при варьировании нагрузочно-скоростных режимов применительно к грузовому полувагону.

Объект исследования: транспортная трибосистема на примере грузового полувагона.

Предмет исследования: контакт «гребень колеса грузового полувагона – боковая поверхность головки рельса».

Методика исследования. Основу работы составляют методы физико-математического моделирования фрикционных механических систем, трибоспектральная идентификация процессов трения и экспериментальная триботермодинамика.

Научная новизна:

По специальности «Трение и износ в машинах»-(05.02.04):

  1. Разработана физико-математическая модель системы «путь – грузовой полувагон» и её подсистема «гребень колеса грузового полувагона – боковая поверхность головки рельса», на основе которых получены параметры для мониторинга наличия смазочного материала в контакте, его остаточного ресурса разового нанесения и идентификации катастрофического режима изнашивания при схватывании;
  2. Предложена методика экспериментальной триботермодинамики, позволяющая исследовать объемную температуру в контакте «гребень колеса грузового полувагона – боковая поверхность головки рельса»;
  3. Разработан критерий подобия триботермодинамики фрикционного взаимодействия, обеспечивающий идентичность процессов изнашивания поверхностей на натурном и модельном объектах.

По специальности «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация» - (05.22.07):

  1. Разработана методика динамического мониторинга контакта «гребень колеса грузового полувагона – боковая поверхность головки рельса», позволяющая повысить ресурс гребней колес грузовых полувагонов и рельсов.
  2. На основе метода трибоспектральной идентификации (ТСИ) процессов трения для методики динамического мониторинга сформирована база трибоспектральных параметров, характеризующих наличие или отсутствие смазочного материала в контакте, а также критическое состояние фрикционного контакта «гребень колеса грузового вагона – боковая поверхность головки рельса» при схватывании и позволяющих диагностировать техническое состояние подвижного состава.

Практическая ценность:

По специальности «Трение и износ в машинах»-(05.02.04):

  1. На базе ФММ выполнено исследование влияния параметров рельсовой колеи и радиуса кривых при различных осевых нагрузках и скоростях движения на интенсивность изнашивания гребней колес грузовых полувагонов и рельсов в кривых и разработан комплекс рекомендаций для улучшения условий взаимодействия колес грузовых вагонов и рельсов;
  2. На базе метода ТСИ процессов трения разработана система динамического мониторинга контакта «гребень колеса грузового полувагона – боковая поверхность головки рельса», позволяющая идентифицировать наличие или отсутствие смазочного материла в контакте, режимы контактирования при схватывании, а также выполнять диагностику технического состояния подвижного состава;

По специальности «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация» - (05.22.07):

        1. В лабораторных условиях определены идентификационные параметры, характерные для условий взаимодействия гребней колес грузовых полувагонов с рельсами при наличии и отсутствии смазочного материала, а так же для режимов при схватывании;
        2. На основе экспериментальных исследований и обследований кривых участков пути с различными радиусами, типами скреплений и грузонапряженностью разработан комплекс рекомендаций для улучшения условий взаимодействия грузового нетягового подвижного состава и пути: номинальная унифицированная ширина рельсовой колеи 1520 мм; для улучшения условий вписывания грузовых вагонов в кривых радиусом 350-650 м ширина колеи должна быть 1525 мм; уменьшение избыточного возвышение наружного рельса в кривых.

Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту:

  1. Физико-математическая модель «путь – грузовой полувагон» и ее подсистема фрикционный контакт «гребень колеса грузового вагона – боковая поверхность головки рельса» при вписывании грузового полувагона в криволинейный участок пути;
  2. Система динамического мониторинга контакта «гребень колеса грузового полувагона – боковая поверхность головки рельса», позволяющая идентифицировать наличие и отсутствие смазочного материала в контакте, его остаточный ресурс, а также выполнять косвенно диагностику технического состояния подвижного состава;
  3. Методика экспериментальной триботермодинамики, позволяющая рассчитать максимальную объемную температуру в контакте гребня колеса с боковой поверхностью головки рельса на поверхности и на вершинах микронеровностей;
  4. Усовершенствован способ исследования динамики формирования фактической площади касания на основе метода электропроводимости.

Реализация работы: материалы, представленные в диссертационной работе, являются составной частью НИОКР «Оптимизация ширины рельсовой колеи» (2008 г.) и НИОКР «Технико-экономическое обоснование нормативов рельсовой колеи и ходовых частей подвижного состава по критериям износов и безопасности» (2009 г.). Выводы и рекомендации, полученные в ходе данных работ, частично включены в Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации от 21.12.2010г. № 286. Федеральная целевая программа «Разработка наноструктурированного смазочного материала для открытых тяжелонагруженных узлов трения» (гос. контракт №16.740.11.0024 на выполнение научно-исследовательских работ от 01.09.2010г.).

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на всероссийских научно-практических конференциях «Транспорт-2007», «Транспорт-2008», «Транспорт-2009», «Транспорт-2010» (Ростов-на-Дону), на V Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (СамГУПС, Самара, 2009 г.), «Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники» (СКНЦ ВШ, Ростов-на-Дону, 2009 г.), на заседаниях кафедры «Транспортные машины и триботехника» РГУПС в 2007-2011 гг., на научно-технической конференции, посвященной 120-летию выдающегося триболога М.М. Хрущева «Трибология и машиностроение» (г. Москва, 2010г.).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, утвержденных ВАК, 3 патента на изобретение РФ.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, заключения, списка литературы из 121 наименования. Диссертация изложена на 150 страницах, содержит 27 рисунка, 10 таблиц и 6 приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, сформулированы решаемые в работе задачи. Отмечена научная и практическая ценность разработанных теоретических и практических решений.

В первой главе приводится обзор исследований, посвященных изучению проблемы интенсивного износа колес подвижного состава и рельсов в кривых участках пути. Выполнена постановка задач исследований.

Изучению взаимодействия колес с рельсами посвящено большое количество работ. На протяжении многих десятилетий этой проблемой занимались видные отечественные и зарубежные ученые: Кислик В.А., Вериго М.Ф., Захаров С.М., Лужнов Ю.М., Костецкий Б.И., Беляев А.И., Бирюков И.В., Колесников В.И., Евдокимов Ю.А., Шаповалов В.В., Майба И.А., Кротов С.В., Озябкин А.Л., Barwell F.T., Kalker J. и многие другие.





Ресурс колес грузовых вагонов и рельсов в кривых в существующих условиях эксплуатации лимитируется величиной износа гребня колеса и головки рельса. Более 60 % рельсов, заменяемых в кривых участках пути, и более 40 % колесных пар грузовых вагонов изымается из эксплуатации по причине сверхнормативного износа головки рельса и гребней колес соответственно.

Для повышения ресурса колес и рельсов разработаны и применяются различные мероприятия: обточка, напыление или наплавление материала на гребень, плазменное упрочнение, рациональные профили, новые материалы и способы обработки, шлифование и т.д. Эксплуатационной практикой на отечественных и зарубежных железных дорогах доказано, что применение лубрикации позволяет снизить износ в 8-15 раз.

Анализ эксплуатационных данных по сети дорог показывает, что реализация работ по лубрикации поверхностей трения в контакте «гребень колеса - рельс» выполняется неэффективно. Отсутствие эффективных методов мониторинга качества выполненных работ по лубрикации не позволяет проконтролировать наличие смазочного материала на поверхности рельса, определить его остаточный ресурс разового нанесения и, соответственно, оценить качество используемого смазочного материала и работ по гребне- и рельсосмазыванию.

Таким образом, для повышения ресурса рельсов в кривых и колесных пар грузовых вагонов необходимо создать систему мониторинга контроля смазочного материала в контакте, которая позволит, с учетом динамических параметров функционирования узла трения, идентифицировать наличие смазочного материала в контакте, прогнозировать его остаточный ресурс разового нанесения, а также диагностировать техническое состояние подвижного состава.

Анализ исследований и обработка экспериментальных данных показали, что ширина рельсовой колеи в кривых в меньшей степени влияет на интенсивность износа боковой поверхности головки рельса, но практически все выявленные параметры, такие как: разность диаметров колес, разность баз тележек, состояние шкворневого узла, отсутствие зазора между скользуном и подпятником и другие отклонения технического состояния ходовых частей подвижного состава приводят к созданию моментов сил, препятствующих свободному повороту тележек грузовых вагонов при вписывании в кривые. Это приводит к увеличению угла набегания гребня колеса на рельс, сокращению фактической площади касания (ФПК). Около 90 % мощности трения, аккумулируемой на ФПК, преобразуется в тепловую энергию, и соответственно, величина температур в контакте может достигать и превышать температуры плавления материалов.

Колесо грузового вагона при движении в кривой совершает сложные пространственные перемещения, при этом процессы трения, протекающие во фрикционном контакте, зависят от более, чем пятидесяти нелинейно-взаимосвязанных факторов, а также от динамических параметров системы. Поэтому исследовать триботермодинамику контакта «гребень колеса – боковая поверхность головки рельса» в условиях эксплуатации нецелесообразно из-за невозможности воспроизведения условий эксперимента. Проведение комплексных исследований триботермодинамических процессов в контакте «гребень колеса – боковая поверхность головки рельса» реализуется в лабораторных условиях на базе методов физико-математического моделирования и разработанной на их основе модели системы «путь - грузовой полувагон».

Во второй главе выполнено физико-математическое моделирование фрикционной механической системы «путь - грузовой полувагон» при вписывании в криволинейный участок пути.

Для получения критериев подобия механической системы «путь – грузовой полувагон» разработана эквивалентная математическая модель передней набегающей колёсной пары (рис. 1), описываемая системой из 10 дифференциальных уравнений, учитывающей условия вписывания в криволинейный участок пути и конструктивные особенности грузового полувагона.

При вписывании в криволинейный участок пути наибольшие динамические нагрузки воспринимает колесо первой колесной пары, движущееся по внешнему рельсу. Перемещениями масс в вертикальной плоскости, а также галопированием пути можно пренебречь, т.к. при вписывании в кривую наибольшее влияние оказывают на грузовой вагон поперечная и горизонтальная динамики.

Рис. 1 – Эквивалентная упрощённая схема передней набегающей колесной пары

Таким образом, механическую систему «грузовой полувагон – путь» возможно представить в виде четырёхмассной эквивалентной схемы, которая в полной мере описывается по 4 координатам: в продольном и поперечном направлениях - Ох, Oy; угловые перемещения – боковая качка () и виляние (). Дифференциальные уравнения движения с учётом приходящих на колёсную пару общих масс вагона, внешних сил, действующих на них, и моментов инерций приведены ниже:

  1. кузова вагона, обозначив 1/4m1=m1 и 1/4 J1= J1

  1. набегающей колёсной пары первой тележки

  1. приведенной массы пути

В качестве условия динамического подобия принимается равенство частот собственных колебаний модели и объекта, то есть , которое возможно при для поступательного вида движения. При соблюдении указанного условия, выводится критерий , из которого следует, что масштаб подобия времени испытаний .

Во фрикционном контакте реальных узлов трения механических систем протекают сложные нелинейные процессы, зависящие от большого числа невзаимосвязанных факторов, образующих неоднородную систему нелинейных зависимостей. Для обеспечения идентичного натурному объекту вида изнашивания поверхностных слоёв колеса и рельса разработана динамическая модель подсистемы фрикционный контакт «гребень колеса – боковая поверхность головки рельса».

Поверхности взаимного контакта представляют систему низшего уровня, компонентами которого являются микронеровности, которые можно охарактеризовать массой их активного микрообъема и жесткостью заделки. Геометрические характеристики активного микрообъёма при взаимодействии с другой поверхностью определяют триботермодинамику поверхностных слоёв.

а) б) в)

Рис. 2 – Динамическая модель подсистемы фрикционный контакт «гребень колеса – боковая поверхность головки рельса»: а – распределение сил в контакте; б – термодинамическая модель; в – схема контактирования активных объемов материала колеса и рельса



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.