автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение величины и стабильности тягового усилия локомотивов

/- / - г , - /

^ ' у'

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

Черный Владимир Семенович

ПОВЫШЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ И СТАБИЛЬНОСТИ ТЯГОВОГО УСИЛИЯ локомотивов

Специальность: 05.22.07- Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Научный руководитель: д. т. н., профессор Шаповалов В.В.

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону-1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ МЕРОПРИЯТИЙ, НАПРАВЛЕННЫХ НА УВЕЛИЧЕНИЕ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА 1.1. Увеличение величины тягового усилия локомотивов путем повышения

стабильности коэффициента сцепления колеса с рельсом...........................9

1.2. Оценка зависимости величины и стабильности значений коэффициента сцепления от внешних воздействий и скорости скольжения........................17

1.3. Оценка условий боксования в системе "колесо-рельс".................................25

1.4. Оценка эффективности технологий смазывания фрикционного контакта гребень колеса -головка рельса.....................................................................38

1.5. Выводы и постановка задач исследований..................................................49

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ПУТЬ -ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ 2.1. Разработка математической модели системы путь- подвижной состав.....51

2.2. Физическое моделирование системы путь- подвижной состав...................93

2.3. Исследование на физических моделях динамики нелинейных механических систем при их плоско -параллельном движении.........................................144

2.5. Выводы..........................................................................................................147

3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЛУБРИКАЦИИ

КОНТАКТА КОЛЕСА С РЕЛЬСОМ 3.1. Конструктивная оптимизация систем лубрикации.....

ФРИКЦИОННОГО

3.2. Разработка технологии гребнерельсосмазывания фрикционного контакта гребня колеса с головкой рельса...................................................................173

3.3. Выводы..........................................................................................................186

4. ПОВЫШЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ВЕЛИЧИНЫ КОЭФФИЦИЕНТА

СЦЕПЛЕНИЯ КОЛЕСА С РЕЛЬСОМ 4.1. Технологическая оптимизация величины и стабильности коэффици-

ента сцепления...............................................................................................187

4.2. Испытательный стенд и измерительные устройства...................................195

4.3. Методика проведения исследований и результаты испытаний..................201

4.4. Снижение потерь тяговой энергии локомотивов и устранение неравномерного износа колесных пар.............................................................................207

4.5. Выводы..........................................................................................................216

5. РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ В ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ 5.1. Результаты внедрения технологии лубрикации пары трения гребень

колеса -головка рельса.................................................................................217

5.2. Результаты эксплуатационных испытаний фрикционных модификаторов трения..................................................................................227

5.3. Выводы..........................................................................................................235

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

Одним из направлений в области повышения эффективности работы тягового подвижного состава является снижение потерь тяговой энергии связанных с нестабильностью значений коэффициента сцепления колес с рельсами.

Неблагоприятные условия для сцепления колёс с рельсом возникают в следующих случаях: при горном рельефе местности, затяжных подъёмах, резких перепадах давления и температуры, большом количестве кривых малого радиуса и весовых нормах поездов, близких к критическим. При таких условиях проблема износа рельсов и бандажей колёс становится ещё более актуальной. Применение толкачей на подъёмах, а на спусках - рекуперативного торможения приводит к увеличенному износу данной пары трения. Снижение скорости движения на подъёмах до 25 30 км/ч, при норме 43, заставляет колёса интенсивно боксовать, а следовательно, подавать в зону сцепления колеса с рельсом песок.

Одним из новых перспективных мероприятий направленных на повышение стабильности коэффициента сцепления колеса с рельсом, является введение в зону фрикционного контакта специальной фрикционной смазки-покрытия, способной модифицировать контактирующие тяговые поверхности с образованием граничных износостойких фрикционных слоев, имеющих стабильные триботехнические характеристики в широком диапазоне эксплуатационных факторов. Данное направление в нашей стране практически не исследовано, не смотря на то, что за рубежом активно ведутся работы по разработке как самих фрикционных смазок так и систем их подачи. Так, например, за последнее время в США появился ряд новых конструкций лубрикаторов для нанесения твердых и жидких модификаторов трения на поверхность катания колес подвижного состава [1 ], способных стабилизировать коэффи-

циент трения на уровне 0,35-0,40 в не зависимости от первоначального состояния рельсов и колес.

На ряде железных дорог России, Германии, США, Японии и других стран особую остроту приобрела проблема интенсивного износа бандажей и гребней колёс подвижного состава и боковой поверхности головки рельсов.

Износ названных элементов и потери мощности локомотивов превысили технологическую норму. Например, боковой износ рельсов превысил нормативный в 8-10 раз, потери мощности в связи с паразитным трением гребней колёс о боковую поверхность головки рельса достигли 25% от общей мощности локомотивов [2].

Рост интенсивности бокового износа рельсов и гребней колёс подвижного состава требует проведения научно - исследовательских работ, направленных на разработку конкретных мероприятий по повышению эксплуатационной эффективности железнодорожного подвижного состава и верхнего строения пути. Наиболее эффективным в борьбе с названными явлениями является применение лубрикаторов -систем подачи специальных смазочных материалов в зону трения гребень колеса- головка рельса.

В настоящее время РГУПС, ВНИИЖТ, МПС, ИМАШ, АН РФ накоплен достаточный опыт по использованию практических способов и технологий повышения износостойкости колес и рельсов путем введения смазки в зону их фрикционного контакта. Но несмотря на обширные исследования, проводимые в этой области , в настоящее время нет единого мнения у специалистов о том какие системы смазки и виды смазочных материалов наиболее эффективно использовать в тех или иных условиях эксплуатации подвижного состава, отсутствует комплексный подход в решении задач лубрикации.

Целью работы является разработка теоретических основ механизма нанесения твердой смазки в зону фрикционного контакта гребня колеса с головкой рельса и

его практическая реализация на основе внедрения новой технологии гребнерельсос-мазывания (ГРС).

Для достижения этой цели в диссертации решены следующие задачи:

1. Проведен анализ влияния внешних факторов на величину и стабильность коэффициента сцепления колеса с рельсом.

2. Разработаны теоретическое и методологические основы исследований взаимодействия системы "путь- подвижной состав".

3. Разработка и апробация новой технологии гребнерельсосмазывания, направленной на повышение эффективности работы подвижного состава.

4. Разработка технологических методов повышения стабильности коэффициента сцепления колеса с рельсом.

5. Разработка практических рекомендаций по использованию новой технологии лубрикации подвижного состава.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней :

■ разработаны научные предпосылки эффективности введения в зону фрикционного контакта колеса с рельсом твердых модификаторов трения типа РАПС (разовое антифрикционное покрытие-смазка);

■ созданы методики математического и физического моделирования системы "путь-подвижной состав";

■ теоретически и экспериментально доказана эффективность новых технологий лубрикации фрикционного контакта колеса с рельсом, основанных на использовании твердых смазок типа РАПС;

Практическая ценность работы заключается в создании теоретических предпосылок и методик для разработки технологии гребнерельсосмазывания и разработке практических мероприятий по снижению износа колес ПС и потерь тяговой мощности локомотивов, создании принципиально новых конструкций лубрикаторов и спо-

собов подачи смазки в зону фрикционного контакта. Результаты работы внедрены на СКЖД.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель системы путь -подвижной состав.

2. Технология лубрикации пары трения гребень колеса-головка рельса .

3. Технология модификации тяговых поверхностей фрикционного контакта колеса с рельсом

4. Результаты экспериментальных и теоретических исследований, практической реализации новых технических решений

Реализация работы. За период с 1990 по 1997 год при непосредственном участии автора, серийно освоен выпуск систем гребнерельсосмазывания. В 1996 году закончены государственные испытания технологии лубрикации колес и рельсов на базе электропоездов с использованием гребнерельсосмазывателей (ГРС) систем подачи твердой смазки РАПС. Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы на СКжд и внедрения патентованных изобретений составил 132 млрд. руб. в ценах 1997 года. Работа выполнена в отраслевой лаборатории кафедры "Путевые и строительные машины" Ростовского-на-Дону Государственного Университета путей сообщения и является частью большого комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполняемых в рамках программ МПС "Колесо-рельс" и Академии Транспорта РФ по повышению безопасности движения и снижению катастрофического износа колес и рельсов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и получили положительную оценку:

■ на заседании технического совета при главном инженере СКжд (Ростов-на-Дону 1995, 1996, 1997);

■ на расширенных коллегиях МПС (Москва 1995, 1996 год)

■ состава РГУПС (Ростов на Дону , 1996, 1997 год)

на научно-технической конференции профессорского и преподавательского

Объем и структура работы. Диссертация состоит из 5 глав, изложенных на 260 страницах, содержит 23 таблицы, 54 рисунка, библиографию в количестве 142 наименований, общих выводов и приложений.

Автор выражает благодарность научным консультантам, кандидатам технических наук докторантам РГУПС Щербаку П.Н. и Майбе И.А. за помощь в постановке работы и консультации при ее создании.

1. АНАЛИЗ МЕРОПРИЯТИЙ, НАПРАВЛЕННЫХ НА УВЕЛИЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

1.1. Увеличение величины тягового усилия локомотивов путем повышения стабильности коэффициента сцепления колеса с рельсом

Исследование условий наиболее полной реализации силы сцепления колёс подвижного состава с рельсами и мероприятий, обеспечивающих эти условия, имеет большой практический интерес не только с точки зрения совершенствования конструкции и оборудования тяговых единиц, но и сточки зрения физической сущности процесса трения, протекающего в зоне контакта колеса с рельсом для разработки правильных методов эксплуатации подвижного состава [3].

От величины и стабильности значений коэффициента сцепления зависят важные технико-экономические показатели эффективности локомотивной тяги, такие как вес и скорость перевозимых грузов, т.е. коэффициент сцепления является показателем функциональной эффективности локомотива как тягового транспортного средства. Формирование нормативов по этим показателям в основном строится на значениях коэффициента сцепления, получаемых методом усреднения ряда опытных поездок локомотивов данной серии при различных состояниях поверхностей рельсов. Значения коэффициента сцепления, лежащие выше и ниже этих значений, считаются не поддающимися расчёту и поэтому при установлении весовых норм поездов во внимание не принимаются. Повышение стабильности значений коэффициента сцепления существенно влияет на экономические показатели. Занижение значений ведёт к

недоиспользованию мощности двигателя, а, следовательно, не в полной мере используются возможности локомотива как тяговой единицы. При завышении значений

создаются серьёзные препятствия нормальному осуществлению эксплуатационной работы, т.к. увеличение разброса в область предельных значений приводит к срыву сцепления (боксование колёс локомотива). Это ведёт к повреждениям тяговых электродвигателей, колёсных пар и других узлов экипажной части.

Возможность реализовать предельные значения силы тяги из условий сцепления заключается в увеличении как величины, так и стабильности коэффициента сцепления колеса с рельсом.

Традиционный метод улучшения сцепных качеств колёс подвижного состава по- прежнему заключается в повышении нормальной нагрузки от колеса на рельс. Современные магистральные тепловозы и электровозы имеют нагрузку на уровне 230...250 кН. Однако, как показывают данные [4,5,6,7] несмотря на известную эффективность увеличения сил сцепления в контакте колеса локомотива с рельсом, при росте нормальной нагрузки коэффициент сцепления имеет тенденцию к снижению (Рис.1.1). Подтверждением этих данных является тот факт, что при уровне осевых нагрузок в 30 т на дорогах США и порядка 20 т на железных дорогах европейских стран более высокий коэффициент сцепления колёс с рельсами наблюдается на железных дорогах Западной Европы. При этом отмечается увеличение интенсивности динамического взаимодействия колеса с рельсом, выводящую из строя рельсы по контактно-усталостным дефектам.

В этих условиях особую актуальность приобретают вопросы комплексного подхода к решению проблемы повышения сцепления. Воздействовать на сцепные качества колёс можно как на стадии создания и последующего совершенствования конструкции тягового подвижного состава, так и созданием наиболее благоприятных условий его реализации в условиях динамического взаимодействия в вертикальной плоскости.

Исключить неблагоприятное влияние динамических процессов в контакте на коэффициент сцепления колеса с рельсом способствуют работы по совершенствова-

нию динамических свойств тяговых приводов подвижного состава. Данные работы [8, 9, 10, И] направлены на выявление и обобщение закономерностей развития динамических процессов в подсистемах экипаж - тяговый привод - путь для характерных режимов работы тягового привода и преследуют цель обеспечить оптимизацию параметров приводов из условия обеспечения наилучших динамических и тяговых свойств. На данный момент менее всего изучены наиболее опасные для приводов и существенно влияющие на процессы сцепления нестационарные динамические режимы боксования колёсных пар и сопровождающие их фрикционные автоколебания. В зависимости от режима работы-тягового привода (тяга, выбег, торможение, боксова-ние) качественно меняется структура единой механической системы экипаж - тяговый привод - путь. При этом, как показывает практика исследований [15,16, 17], изменяется как характер связи между отдельными её подсистемами, так и вид воздействия на них, что в свою очередь вызывает развитие различных по природе динамических процессов. Решение данных задач достигается путём дифференцированного решения составляющих её частных задач. Это выравнивание нагрузок по отдельным колёсным парам и динамических колёсных нагрузок, исключение посредством конструктивного совершенствования тягового привода дополнительного кинематического проскальзывания колёс относительно рельсов и так далее.

При рассмотрении подсистемы колесо-рельс следует отметить, что процесс сцепления колеса и рельса сложно и нелинейно зависит от целого ряда переменных факторов . Математические методы решения задач по оптимизации подобных ФМС не дают удовлетворительных результатов из-за необходимости упрощать и. линеаризовать зависимости, описывающие процессы трения качения.

Рис. 1.1. Зависимость коэффициента сцепления ц/ Сц и его составляющих от нормальной нагрузки Рк.

Объяснение процесса сцепления можно найти в ряде теоретических работ по сложным математическим анализам, в основу которых положена та или иная схема распределения нормальных и касательных напряжений [12,13,14,18,19, 20,21]. По общему мнению, давление в контакте является доминирующим фактором, влияющим на реализацию процессов сцепления колёс с рельсами.

Впервые задача о распределении контактных напряжений при контактировании двух упругих цилиндров была решена Герцем [22] и позднее М.М. Беляевым [20].

М.М. Беляевым показано, что напряжение 6 зоне контакта для существующих нагрузок на колесо локомотива, профилей бандажа и рельса превышает предел текучести для применяемых сталей и достигает у отечественного подвижного состава (ПС) 810...870 МПа. Наиболее нагруженными являются локомотивы США - 918...965 МПа и менее нагруженными - западноевропейские (770...8