Реферат: Наукові основи підвищення ефективності гальмування поліпшенням умов взаємодії коліс з гальмівними колодками і рейками
Реферат: Наукові основи підвищення ефективності гальмування поліпшенням умов взаємодії коліс з гальмівними колодками і рейками
СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
імен ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ
Старченко Валерій Миколайович
УДК 629.4.027:625.1.03:621.891
Науков основи підвищення ефективності
гальмування поліпшенням умов взаємодії коліс
з гальмівними колодками і рейками
05.22.07 - Рухомий склад залізниць і тяга поїздів
Автореферат
дисертац на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Луганськ - 2008
Дисертація рукописом.
Роботу виконано в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.
Науковий консультант:
доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки й техніки України Голубенко Олександр Леонідович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, ректор
Офіційн опоненти:
доктор технічних наук, професор Коротенко Михайло Леонідович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка Всеволода Лазаряна, професор кафедри «Теоретична механіка»;
доктор технічних наук, професор Маслієв В'ячеслав Георгійович, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», професор кафедри «Електричний транспорт і тепловозобудування»;
доктор технічних наук, професор Головінов Геннадій Георгійович, Академія митної служби України, начальник кафедри «Транспортні системи і технології в митній справі»
Захист відбудеться 26 травня 2008 р. о 10 00 на засіданн спеціалізованої Вченої ради Д 29.051.03 Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, СНУ ім. В. Даля, корп. 1.
З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці університету за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, СНУ ім. В. Даля.
Автореферат розіслано 25 квітня 2008 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Ю.І. Осенін
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Вступ. Залізниці України є базовою галуззю економіки країни й основою її транспортної системи. Експлуатаційна довжина мережі залізниць становить понад 22 тис. км і за вантажонапруженістю перевищує показники розвинених європейських країн.
Загальною тенденцією розвитку залізничного транспорту є підвищення осьової потужності тягового рухомого складу і збільшення швидкості руху. У минулому році електропоїзд сер TGV (Франція) показав рекордну швидкість – 574,8 км/год, а технічно реальною та економічно виправданою нині прийнято максимальну швидкість руху в 350 км/год. Рух потягів в Україні здійснюється з максимальною швидкістю 160 км/год і до 2012 року заплановане її підвищення до 200 км/год. В основному обмеження швидкісного режиму обумовлено вимогами безпеки руху, проблемами гальмування та взаємодією швидкісного рухомого складу і колії.
У процес експлуатації поверхні катання й гребені ходових коліс взаємодіють із рейками, а у випадку колодкового гальмування - і з колодками на гальмівних осях. Внаслідок цього обидві пари тертя взаємно впливають на процес зношування коліс і рейок, на формування контактної зони між ними й рівень контактних напружень, що виникають, і, отже, на сили зчеплення, що визначають величину тягових і гальмівних зусиль рухомого складу.
Для підвищення ефективності гальмування рейкового рухомого складу необхідно створити гальмівними пристроями достатню гальмівну потужність і забезпечити стійке зчеплення коліс з рейками.
Актуальність теми. У швидкісних потягах для виконання нормативних вимог з довжини гальмівного шляху, часу гальмування й припустимому уповільненню додатково застосовуються магнітнорейков та вихрострумові гальмівні системи, що не використовують зчеплення коліс із рейками, оскільки електродинамічні й механічні (фрикційні) пристрої мають обмеження по зчепленню й недостатню гальмівну потужність.
У той же час за умовами безпеки при службовому, повному і екстреному гальмуванні механічн гальма є незамінною гальмівною системою. Гранична гальмівна потужність колодкових і дискових гальм не перевищує відповідно 650 кВт і 800 кВт на одну колісну пару, що обумовлено зростанням руйнуючого термічного впливу на контактні поверхні коліс або дисків, а також на матеріал гальмівних колодок або накладок.
Підвищення ефективності механічних гальмівних систем рухомого складу (колодкових дискових) можливе застосуванням нових фрикційних матеріалів і збільшенням зчеплення завдяки поліпшенню умов взаємод коліс із рейками.
За останні 15 років ресурс вагонних коліс із 12 скоротився до 4...5 років, змінюваність рейок по бічному зношуванню головки виросла в 2...3 рази, а інтенсивність зношування гребенів досягла 0,5.. .2,5 мм на 10 тис. км пробігу. Істотний прямий опосередкований вплив на зменшення ресурсу коліс і рейок справляють гальмівн колодки, а часта взаємна змінюваність – робота нових колодок зі зношеним профілем коліс і численні переточування бандажів через підріз гребенів - погіршують ситуацію. Витрати по утриманню рухомого складу й колії постійно збільшуються, а науково-технічна проблема додатково набуває економічного характеру.
Для прийняття обґрунтованих технічних рішень, що дозволили б поліпшити існуючий стан речей, необхідні поглиблені наукові дослідження з розробкою теоретичних положень математичних моделей контактної, фрикційної й динамічної взаємодії для системи гальмівна колодка - колесо - рейка“.
У зв'язку з цим підвищення ефективності гальмування рейкового рухомого складу застосуванням принципово нових фрикційних матеріалів для гальмівних колодок і поліпшенням умов взаємодії коліс із рейками є актуальною науковою проблемою, що має велике значення для розвитку й удосконалення залізничного транспорту.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дослідження, виконані в дисертаційній роботі, проводилися згідно з "Державною науково-технічною програмою розвитку залізничного транспорту України", "Програмою розвитку залізничного транспорту на 2005...2010 роки ", планом нової техніки Транспортної академії України і Укрзалізниці, планом нової техніки ВАТ “ХК “Луганськтепловоз - тема ДО2004-01 "Науково-технічне обґрунтування вдосконалення ходових частин рухомого складу залізниць у 2004…2005 рр.", держбюджетних господарських НДР згідно з темами: "Наукові основи, концепція й теорія створення перспективних конструкцій транспорту з поліпшеними енергетичними та екологічними характеристиками", "Наукове обґрунтування, виготовлення та випробування дослідних вузлів і деталей, виготовлених з композиційних матеріалів на основі вуглецю, для опорних і гальмівних пристроїв тепловоза ТЕП 150 рухомого складу" (тема Т-133-05, № держ. per. 0105U006925).
Мета і завдання дослідження. Підвищення ефективності гальмування рейкового рухомого складу поліпшенням умов взаємодії коліс із гальмівними колодками і рейками при зменшенні інтенсивності зношування контактних поверхонь і збільшенні терміну служби.
Для реалізац поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:
- удосконалити математичну модель динамічної контактної взаємодії колеса з рейкою, установити залежності для оцінки і уточнення рівня та характеру розподілу контактних напружень;
- удосконалити математичну модель взаємодії рухомого складу і колії, установити домінантні фактори хній вплив на рівень динамічних сил для визначення напрямку і раціональних параметрів конструктивного вдосконалення візкових рейкових екіпажів,
- розробити теоретичні основи, методику розрахунку, компонентний склад, структуру та конструктивне виконання гальмівних С-С колодок на основі вуглець - вуглецевих волокон з піровуглецевою матрицею для підвищення ефективності механічних гальмівних систем і зменшення термічного впливу на поверхню катання коліс;
- виконати комплексні експериментальн дослідження нових гальмівних С-С колодок і встановити закономірності впливу на їхн фрикційні характеристики якісного, кількісного фракційного вмісту різних компонентів та модифікаторів тертя;
- встановити експлуатаційні характеристики закономірності впливу на величину та стабільність коефіцієнта тертя питомого навантаження, швидкості ковзання та температури на контактній поверхні тертя;
- розробити математичну модель нестаціонарного теплового процесу колодкового гальмування, встановити закономірності впливу різних компонентів на теплопровідність ефективність гальмівних С-С колодок щодо зниження температурної напруженості;
- розробити компонентний склад, структуру, технологічні схеми виготовлення і провести комплексні випробування натурних зразків антифрикційних самозмащувальних композиційних матеріалів на основі капролону з низьким і стабільним коефіцієнтом тертя для опорних пристроїв кузова на візки рухомого складу;
- створити експериментальні установки з вимірювальними комплексами та програмним забезпеченням для перевірки результатів теоретичних досліджень і відповідност математичних моделей реальним процесам взаємодії коліс з гальмівними колодками й рейками.
Об'єкт дослідження: процеси контактної, динамічної і фрикційної взаємодії коліс з гальмівними колодками та рейками.
Предмет дослідження: закономірност взаємодії коліс з гальмівними колодками і рейками під впливом конструктивних, технологічних, матеріалознавських та експлуатаційних факторів.
Методи дослідження. У теоретичній частині роботи використано основні положення класичної теорії пружності, механіки контактної взаємодії і механіки твердого тіла, спроможного до деформування, математичні методи розв'язку інтегральних рівнянь динамічних змішаних задач теорії пружності, математичне моделювання процесу руху потягу і чисельні методи розв'язку диференціальних рівнянь.
В експериментальній частині для обробки результатів випробувань використано методи теорії ймовірностей, математичної статистики та математичного планування експериментів.
Достовірність наукових результатів підтверджується результатами експериментальних досліджень, що засвідчує відповідність прийнятих допущень характеру вирішуваних завдань, правильний вибір способів і технічних засобів випробувань, вимірювальної та реєструючої апаратури і методів обробки результатів експериментів.
Наукова новизна отриманих результатів:
- одержала подальший розвиток математична модель динамічної контактної взаємодії колеса і рейки з урахуванням осциляції ядер нтегральних рівнянь, принципу граничного поглинання, що характеризує внутрішн тертя, і збурювань у виді гармонійних функцій;
- уперше запропоновано теоретичне обґрунтування, компонентний склад, структура і конструктивне виконання гальмівних С-С колодок на основі вуглецевих волокон з піровуглецевою матрицею та модифікаторами тертя для гальмівних систем рухомого складу;
- уперше встановлено закономірності впливу на фрикційн характеристики гальмівних С-С колодок якісного, кількісного, фракційного складу компонентів і модифікаторів тертя, а також питомого навантаження, швидкост ковзання та температури контактної поверхні;
- удосконалено математичну модель нестаціонарного теплового процесу гальмування системи "гальмівні колодки - колесо - рейка" з умовою пропорційності теплового потоку, що виділяється в плям контакту, потужності сил деформації від контактних динамічних напружень;
- експериментально встановлено закономірності впливу компонентів гальмівних С-С колодок на величину коефіцієнта теплопровідності, що визначає температурну напруженість контактної зони тертя;
- уперше експериментально встановлено експлуатаційні характеристики антифрикційних самозмащувальних композиційних матеріалів на основі капролону для опорно-повертальних пристроїв рухомого складу, раціональних за критерієм мінімізації коефіцієнта тертя.
Практичне значення отриманих результатів. Розвиток теорії динамічної контактної взаємодії колеса з рейкою сприя визначенню дійсної величини і характеру розподілу контактних напружень для визначення тягових та гальмівних зусиль при багатомірному математичному моделюванні і дослідженн динамічних та теплових процесів при взаємодії екіпажа й колії. Встановлен закономірності дозволяють приймати раціональні конструктивні рішення при проектуванні, створенні і модернізації візкових рейкових екіпажів.
Пропоновані гальмівн С-С колодки відрізняються високими експлуатаційними і теплофізичними характеристиками, сприяють зменшенню термічного впливу на поверхню кочення коліс та рейок і підвищенню ефективності роботи гальмівних пристроїв. Використання С-С колодок дозволяє знизити зусилля натиснення у два рази при збереженні довжини гальмівного шляху й зменшити його величину при великих початкових швидкостях гальмування.
Використання в опорних пристроях антифрикційного матеріалу на основі капролону з наповнювачами у виді мінерального масла, дисульфід молібдену та лускатого графіту з низьким і стабільним коефіцієнтом тертя забезпечує зниження до 32% опору повороту візків щодо кузова в плані і завдяки цьому поліпшує умови взаємодії колеса з рейкою.
Практична цінність роботи підтверджена новими технічними рішеннями (двосекційна гальмівна колодка, фрикційний композитний матеріал, фрикційний диск, гальмо й ін.), які виконані на рівні винаходів і захищені авторськими свідоцтвами та патентами.
Розроблені математичні моделі, методики, алгоритми, програмні й технічні засоби знайшли практичне застосування в ВАТ «ХК «Луганськтепловоз» і ВАТ «ЛуганськПТІмаш» при створенні нового пасажирського тепловоза ТЕП 150, у процесі проектування й розробки перспективних вантажних пасажирських тепловозів, дизель- і електропоїздів ДПЛ-2, ДЕЛ-02, ЕПЛ9Т, а також трамвайних вагонів.
Технічна документація на пропоновані композиційн матеріали використовується при виготовленні гальмівних колодок (накладок) для гальмівних пристроїв, у тому числі дискових гальм, і полімерних антифрикційних накладок - для підшипників ковзання й опорних пристроїв кузова на візки.
Основні результати досліджень, лабораторні стенди установки використовуються в навчальному процесі, у науково-дослідній роботі, у курсовому та дипломному проектуванні при підготовці бакалаврів, фахівців магістрів за фахом: «Рухомий склад і спеціальна техніка залізничного транспорту», а також у курсах дисциплін «Безпека руху залізничного транспорту», «Основи експлуатації транспортних засобів», «Локомотивне й вагонне господарство» тощо Східноукраїнського національного університету імен Володимира Даля.
Особистий внесок здобувача. Науков положення, розробки і результати досліджень, котрі виносяться на захист, отримані автором самостійно і в основному опубліковані без співавторів. У спільних роботах здобувач:
- запропонував підходи, виконав аналітичні перетворення й одержав асимптотичні розв'язки інтегральних рівнянь динамічних контактних задач щодо взаємодії колеса з рейкою, руху колеса по пружному шару і руху клина в пружному шарі [16, 17, 18, 35];
- обґрунтував, виконав перетворення та одержав аналітичні залежності для вирішення динамічно контактної задачі з обмеженням при взаємодії колеса з рейкою [25];
- запропонував конструктивні вдосконалення візків для підвищення тягових і гальмівних властивостей електропоїздів [33];
- обґрунтував розробив методику проведення експериментальних досліджень гальмівних колодок із С-С композитів [8, 9, 13, 14, 24, 26];
- запропонував розробив основні положення використання комп'ютерної вимірювальної системи для випробування гальмівних пристроїв [5, 37];
- запропонував компонентний склад, структуру, розробив способи виготовлення модифікованих фрикційних С-С композитів [21, 26];
- обґрунтував методику проведення експериментальних досліджень теплового стану фрикційних накладок гальмівних пристроїв, узагальнив результати досліджень [12, 24, 39];
- запропонував компонентний склад, структуру, розробив технологічні схеми та способи виготовлення, керував проведенням випробувань антифрикційних матеріалів на основі капролону з наповнювачами у виді мінерального масла, дисульфіду молібдену й лускатого графіту [23].
Апробація результатів дисертації. Дисертаційна робота у повному обсязі повідомлена та обговорена на розширеному засіданні вченої ради Інституту рейкового транспорту, на постійно діючому спеціалізованому семінарі з наукового напрямку "Рухомий склад залізниць і тяга поїздів", на засіданні кафедри "Залізничний транспорт" Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (СНУ м. В. Даля) і одержала позитивну оцінку.
