автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Оценка ресурса пятниковых узлов в зависимости от условий эксплуатации грузовых вагонов на железных дорогах Мьянмы

ОЦЕНКА РЕСУРСА ПЯТНИКОВЫХ УЗЛОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ НА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ МЬЯНМЫ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О ОКТ 2014

Москва-2014

005554045

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ) на кафедре «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор, Воронин Николай Николаевич

Болдырев Алексей Петрович, доктор технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет», кафедра «Механика и динамика и прочность машин», профессор;

Бирюков Владимир Павлович, кандидат технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт машиноведения» им. АЛ. Благонравова Российской академии наук, отдел «Трение, износ, смазка. Трибология», старший научный сотрудник.

ЗАО Научная организация «Тверской институт вагоностроения»

Защита состоится «17» декабря 2014 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 218.005.01 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 2505.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте МГУПС (МИИТ) wvvw.miit.ru. '

Автореферат разослан «_» октября 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совет;

Воронин Николай Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Вопрос создания, совершенствования и внедрения на сети дорог Мьянмы и России технологий, обеспечивающих существенное повышение износостойкости узлов трения транспортной техники, является актуальным.

Одной из основных причин поступления в ремонт тележек грузовых вагонов является износ узлов трения. Замена или восстановление изношенных деталей связаны с большими материальными затратами, поэтому исследования, направленные на оценку и определение путей снижения износа являются актуальными.

Проведённые в последние десятилетия всесторонние исследования узлов трения подвижного состава железнодорожного транспорта показали, что в зонах контакта большинства из них имеет место значительный неравномерный износ, а на некоторых контактных поверхностях проходят заметные пластические деформации, приводящие к изменению заданных геометрических размеров. При значительных износах в пятниковом узле происходит ослабление надрессорной балки, увеличение радиального зазора между пятником и подпятником, вызывающее увеличение ударных воздействий при трогании и торможении, ухудшение динамики вагона, передачу продольных усилий через шкворень, его изгиб, срез и т.п. Кроме этого, в результате износа пятникового узла, в скользунах уменьшается зазор, предусмотренный конструкцией вагона. При повышенных износах пятника и подпятника в направлении продольной оси вагона появляется возможность относительного перемещения и соударения их, что может привести к повреждениям надрессорной балки, отколу внутреннего бурта подпятника и трещинам в пятнике. Все это, в конечном итоге, может привести к разрушению пятникового узла вагона и возникновению аварийной ситуации.

До настоящего времени вопросы, связанные с расчётной оценкой износа деталей трения вагонных конструкций, проработаны недостаточно подробно.

Большое практическое значение приобретают расчётные методы прогнозирования несущей способности и усталостной долговечности конструкции, а также реализующие их алгоритмы и программы, которые должны использоваться на стадиях технического проектирования и создания, опытных образцов новых и модернизируемых конструкций, а также при проведении различных ремонтных операций, направленных на восстановление и усиление наиболее повреждаемых мест.

Подобные подходы к решению проблемы повышения прочности и работоспособности конструкций подвижного состава являются наиболее эффективными, соответствуют современному уровню развития науки и техники, а получаемые результаты имеют значительный теоретический и практический интерес.

Степень разработанности темы. Степень разработанности вопросов, относящихся к области узлов трения машин очень широка. Над ними работали учёные и изобретатели БГТУ, ВНИИЖТ, МГУПС (МИИТ), ПГУПС, РГУПС, ОАО «РЖД» и др. Научные основы расчёта узлов трения машин по критерию износа начали развиваться во второй половине XX веке. Основной вклад в создание этого направления внесли учёные В.В. Гриб, М.Н. Добычин, Ю.Н. Дроздов, А.Б. Ефимов, И.В. Крагельский, Е.Ф. Непомнящий, A.C. Проников, Г.М. Харыч, М.М. Хрущев, Д.Г. Эфрос, Г.Я. Ямпольский, и др. Со второй половины 70-х годов появляются работы, в которых расчётные модели начинают учитывать влияние изменения геометрии тел, вследствие износа, на контактное давление и износ. В настоящее время это научное направление является одним из наиболее актуальных и развивающихся. Экспериментальные исследования износа узла пятник-подпятник проводились сотрудниками кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» МГУПС (МИИТ) Б.С. Евстафьевым, П.А. Устичем, В.Н. Филипповым, A.A. Хохловым, В.М. Чебаненко, В.А. Юдиным и др. Проведённый обзор работ показывает, что в настоящее время не достаточно подробно разработаны расчётные методы определения износа рабочих поверхностей пятникового узла грузовых вагонов и их ресурса работы.

Цель работы - разработка расчётной методики определения износов опорной и цилиндрической поверхностей в пятниковых узлах современных и перспективных грузовых вагонов Мьянмы и ресурса их работы в зависимости от пробега вагона, радиусов кривых рельсового пути, типа вагонной конструкции, размеров и материалов элементов пятникового узла.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

• рассмотрены предлагаемые конструктивные варианты пятниковых узлов грузовых вагонов и проведён их анализ;

• разработана расчётная методика для оценки контактных давлений и износов рабочих поверхностей в трибосопряжениях применительно к пятниковому узлу грузового вагона;

• разработана методика расчёта зазоров между цилиндрическими поверхностями в пятниковом узле для различных сочетаний диаметров пятника и подпятника;

• подтверждена работоспособность созданной методики путём верификации получаемых расчётных значений износов с экспериментальными данными, полученными другими авторами;

• рассмотрены различные сочетания материалов пятника и подпятника, в том числе, и возможные сварочные материалы, используемые при восстановлении изношенных поверхностей.

Объект исследования. Пятниковые узлы железнодорожных грузовых вагонов, осуществляют связь кузова вагона с тележками и передают вертикальные и горизонтальные нагрузки между ними.

Предмет исследования. Компьютерное моделирование процессов изнашивания рабочих поверхностей в пятниковом узле вагонов, формирование на основе их результатов информационно-методического обеспечения процессов выбора конкретных типов и материалов пятниковых узлов для заданного вагона.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

• разработана расчётная модель пятникового узла грузовых вагонов, для расчёта износов опорной и цилиндрической поверхностей от различных факторов: геометрических размеров и материалов пятника и подпятника; базы вагона и его загруженности; пробега вагона с учётом радиусов кривых рельсового пути;

• получены закономерности износов в пятниковом узле для различных факторов, влияющих на износы, в том числе для перспективных вагонов Мьянмы;

• с помощью разработанной методики проведены оценки межремонтного пробега некоторых типов грузовых вагонов по износам пятниковых узлов до критических размеров;

• установлены закономерности приработки цилиндрических поверхностей пятниковых узлов в зависимости от их первоначальных размеров, указанных в конструкторской документации.

Теоретическая значимость исследования. Поставлена и решена научная задача, имеющая большое народно-хозяйственное значение, связанная с разработкой инженерного метода расчёта работоспособности пятникового узла грузовых вагонов при использовании теории изнашивания.

Практическая значимость работы и реализация результатов работы заключается в следующем:

• разработанная методика оценки износа до критического размера опорной и цилиндрической поверхностей пятникового узла может быть использована для определения износов конкретного вагона при различных условиях его эксплуатации;

• создан специализированный программный комплекс, ориентированный на определение износов в зависимости от материалов пятника и подпятника, а также в зависимости от используемых наплавочных материалов при их ремонте;

• проведён расчёт и анализ возможных износов пятниковых узлов для перспективных вагонов Мьянмы;

• результаты исследований используются в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Методология и методы исследования. Компьютерное моделирование процессов износа трибосопряжения пятникового узла с использованием разработанного программного обеспечения «ПЯТНИК», учитывающего предысторию изнашивания сопряжения.

Личный вклад автора в полученные результаты:

• выявление факторов, влияющих на износы опорной и цилиндрической поверхностей в существующих конструкциях в пятниковых узлах грузовых вагонов;

• разработка алгоритма и программного обеспечения, позволяющих проводить расчёт контактного давления и износов на поверхностях трения пятникового узла грузового вагона с учётом предыстории процесса изнашивания, что дает возможным проследить процесс изнашивания во времени и определить ресурс пятникового узла по величине заданного допускаемого износа;

• определение рационального сочетания материалов пятника и подпятника при их изготовлении и ремонте с целью минимизации износов;

• подготовка основных публикаций по выполненной работе.

Положения диссертации, выносимые на защиту;

• разработанная расчётная методика пятникового узла грузовых вагонов для определения контактных давлений и износов опорной и цилиндрической поверхностей от различных факторов;

• закономерности износов в пятниковом узле от различных факторов, влияющих на износы.

Достоверность результатов работы подтверждается тем, что:

• работа выполнена с использованием программного комплекса, прошедшего апробацию, использованы современные методики сбора и обработки исходной информации, теория построена на известных, проверяемых данных, обобщении передового опыта;

• результаты исследования сходятся с расчётными и экспериментальными данными, полученными другими исследователями.

Апробация и внедрение результатов работы. Основные результаты по диссертации были доложены на следующих международных и российских научно-технических конференциях: «Наука-транспорту», (2012-2014 гг., г. Москва); «Безопасность движения поездов», (2012-2013 гг., г. Москва); «Конструкция, динамика и прочность подвижного состава», посвященная 75-летию со дня рождения профессора В.Д. Хусидова, (2014 г., г. Москва); «Tran-Mech-Art-Chem», (2014 г., г. Москва); «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях», посвященная 50-летию Юго-западного государственного университета, (2014 г. г. Курск). Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедр «ТТМ и РПС» и «Вагоны и вагонное хозяйство» МГУПС (МИИТ).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК России, 7 работ опубликовано в трудах всероссийских, международных и научно-практических конференций. Общий объём публикаций составляет 2,8 п.л.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём работы - 180 страниц, 7 таблиц и 99 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, степень разработанности исследования, сформулированы цель и задачи диссертации, объект, предмет исследования, научная новизна, теоретическая и практическая значимость полученных результатов, методология и методы исследования, личный вклад автора; изложены положения диссертации, выносимые на защиту; достоверность апробации, внедрение результатов, структура и объём работы, а также кратко раскрыто содержание глав.

В первой главе «Конструктивные особенности пятникового узла, условия его работы и причины отказа» рассмотрены конструктивные особенности пятникового узла грузового вагона и приведены сведения об условиях его эксплуата-

ции, возникающих видах износа и дефектов рабочих поверхностей трибосопря-жения и причинах, порождающих данные дефекты при контактировании деталей ходовой части тележек.

В настоящее время современные вагоны оборудуются различными конструкциями пятниковых узлов, отличающихся, в основном, геометрическими размерами. Так, например, на грузовых вагонах железных дорог Мьянмы применяются пятниковые узлы с диаметрами пятника 298 мм и подпятника 305 мм. В связи с этим зона контакта цилиндрических поверхностей между пятником и подпятником имеет зазор больший, чем у пятниковых узлов четырёхосных вагонов, эксплуатирующихся на железных дорогах России.

Проведённый анализ условий работы пятникового узла показал, что его конструктивные особенности не в полной мере удовлетворяют всем требованиям к данному узлу при эксплуатации. Анализ новых разработанных конструктивных вариантов пятникового узла грузовых вагонов показал, что все они усложняют конструкцию, а в ряде случаев снижают её работоспособность, увеличивают стоимость изготовления или требуют значительных материальных затрат на текущее содержание. Таким образом, наиболее приемлемым вариантом продления сроков эксплуатации пятниковых узлов грузовых вагонов без существенного изменения конструкции остаётся подбор материалов, из которых изготавливаются пятник и подпятник, или использование специальных вставок, накладок и наплавок на их рабочие поверхности.

Износ пятниковых узлов является одной из основных причин поступления в ремонт тележек вагонов. Пятниковые узлы подвергаются значительным ударным, вибрационным и статическим воздействиям, часто превышающим проектные нагрузки, работают, практически, без смазывания в сильно запыленной, а иногда и абразивной среде, при переменной влажности и температуре.

Изнашивание опорной и цилиндрической поверхностей пятникового узла в эксплуатации характеризуется значительной неоднородностью, и зависит от ряда факторов, основными из которых являются: конструктивные особенности вагонов, их грузоподъёмность, условия эксплуатации и характеристика пути, на котором они эксплуатируются. Значительные износы рабочих поверхностей пятниковых узлов увеличивают в них зазоры, что повышает величину ударных нагрузок при движении вагона, изменяются динамические характеристики и как следствие создаются условия для более интенсивного износа различных деталей, уменьше-

ния межремонтного пробега вагонов, дополнительных затрат на ремонт, а в ряде случаев и создание аварийной ситуации.

Для планирования межремонтных периодов, определения затрат на восстановление изношенных поверхностей за заданный промежуток времени, оценки ресурса узла необходимо установление связи между сроком эксплуатации и величиной износа с помощью теоретической модели, в которой трущаяся пара является трибосистемой, подчиняющейся определенным законам.

В предыдущие годы ВНИИЖТ, МГУПС (МИИТ), ПГУПС, РГУПС и другие организации проводили оценку эксплуатационной нагруженности шкворневого узла на основе анализа результатов, полученных при статических и динамических испытаниях, а также при проведении теоретических исследований. Проведённый анализ существующих расчётных методов, определяющих величины износов в парах трения, показал, что применить их к пятниковому узлу грузового вагона с учётом его особенностей по конструкции и условиям эксплуатации не представляется возможным. Поэтому было необходимо модернизировать существующие расчётные методы и разработать новые алгоритмы и программы для проведения расчётной оценки износов рабочих поверхностей пятникового узла и определения ресурса его работы.

Выполненный обзор позволил наметить направления исследований предлагаемой диссертационной работы.

Во второй главе «Методика расчёта контактных давлений и износов в пятниковых узлах грузовых вагонов» приведено описание разработанной расчётной методики для определения износов контактируемых поверхностей пятникового узла. Разработанная расчётная модель предусматривает вычисление контактных давлений в каждый последующий момент времени, что описывается системами дифференциальных уравнений для опорной и цилиндрической поверхностей, а также для случая перевалки кузова вагона во время движения поезда.

Износ пары трения определяется рядом факторов, одним из основных является контактное давление, перераспределяющееся по мере износа и изменяющее скорость изнашивания трущихся поверхностей. Само контактное давление в это время может значительно изменяться. Поэтому важно знать величину контактного давления в различных зонах контактирующей поверхности.

В трибосопряжении пятник-подпятник при эксплуатации значительному изнашиванию подвержены опорные и цилиндрические контактирующие поверх-

ности, но контактные давления и характер износа у этих поверхностей существенно отличаются.

Для определения распределения контактных давлений на опорных поверхностях пятникового узла получено нелинейное интегральное уравнение. При выводе данного уравнения рассматривалась элементарная площадка контакта аналогичная представленной на рисунке 2, поясняющем зону контакта опорных поверхностей пятникового узла при перевалке кузова вагона.

оно должно также удовлетворять уравнениям равновесия:

2 гсЬ

Р{() = \ \рЦ,р)рс1рс1ч>- (2)

2л- Ъ

р{')«*=/ /¿>(Др)р2БШфй?р£/ф;

о а

2.* Ъ <3>

Р(0еу= \ \ Р(С,Р)Р2 СОБффс/ф,

где р - радиус-вектор, проведенный из начала координат к рассматриваемой элементной площадке контакта; /--радиус-вектор точки Л/; йр - приращение радиус-

вектора; ф - угол поворота между радиусами р и г; ¿ф - приращение угловой координаты; V-скорость скольжения; а, Ъ - значения внутреннего и наружного радиуса кольцевой зоны трения; 6 - сближение деталей, определяемое по сближению точек деталей, для которых упругие смещения пренебрежимо малы; г - момент времени; г, - координаты недеформированных изношенных поверхностей; г) - интенсивность изнашивания материала детали трибосопряжения; =е(0сс«(ф0)), еу =е(1)зт(\\1(1)) - задают координаты точки приложения нормальной силы, то есть, её эксцентриситет е (/) относительно оси ОХ и её угловое положение \|/(/) в момент времени г.

Математические модели, описывающие распределения контактных давлений и износов на опорной и цилиндрической поверхностях, существенно отличаются друг от друга. В первом случае зона контакта задаётся размерами контактирующих поверхностей, а во втором - протяженностью зоны контакта, определяемой одновременно с контактным давлением.

В процессе эксплуатации контактируемые поверхности пятникового узла изнашиваются, в результате чего увеличивается зазор между цилиндрическими поверхностями и изменяются их геометрические размеры. Это приводит к изменению площади соприкосновения между деталями и распределения контактных давлений по ней. Таю™ образом, в расчётной модели должна быть учтена предыстория в каждый последующий момент времени. Значит, на первом этапе расчёта определяется размер зоны контакта, и распределение в ней контактных давлений, по ним определяется износ, который изменяет, в свою очередь, контактные давления.

Величину зазора для каждой точки цилиндрической поверхности пятникового узла можно определить, зная первоначальные размеры пятника и подпятника. На рисунке 1 приведена схема, поясняющая определение величины за; зора между цилиндрическими поверхностями пятникового узла в момент приложения тянущего усилия, совпадающего с осью ОХ. За величину зазора в каждой точке пятникового узла приняты длины отрезков прямых (ЛS¡), проведённых из центра подпятника и ограниченных цилиндрическими поверхностями.

Для определения отрезков ДS¡ была получена зависимость, учитывающая радиусы пятника и подпятника, а также угол vj/, образованный проведённой прямой к точке, в которой определяется зазор и направлением тянущего усилия, совпадающего с продольной осью вагона.

Для вычисления зазора по длине окружности между цилиндрическими поверхностями пятника и подпятника дуга окружности разбивается на п равных отрезков и для них определяются расстояния ДS¡ (см. рисунок 1)

AS, = ^ - (R, - Л,) ■■ cos V|. - - [(^ - Л,) •■ sin Vf ]2 , (4)

где Л, - радиус пятника; - радиус подпятника.

Задавая величины Rv R2, у, с помощью соотношения (4) вычисляем зазоры между пятником и подпятником AS( для всех рассматриваемых точек цилинд-

X "'" 0 1

Рисунок 1 - Сопряжение цилиндрических поверхностей пятникового узла при совпадении тянущего усилия с его осью

рических поверхностей. Это позволяет определить протяжённость зоны контакта цилиндрических поверхностей между собой и распределение контактных давлений на ней.

Применительно к трибосопряжению пятникового узла была принята, как наиболее адекватная условиям его эксплуатации, схема расчёта, в которой на всей площадке контакта имеет место скольжение. В расчётной модели учитывается переменный во времени зазор между цилиндрическими поверхностями.

Контактное давление для цилиндрических поверхностей может быть выражено с помощью тригонометрического многочлена, содержащего п слагаемых:

где Д(/) - радиальный зазор между цилиндрическими поверхностями; 6, -коэффициенты системы уравнений; а - полярный угол для рассматриваемой точки контакта; а - тригонометрическая функция, зависящая от зоны контакта.

В зависимости от распределения контактных давлений определяются изно-сы цилиндрических поверхностей в каждый последующий момент времени и суммируются с износами, полученными на предыдущем шаге.

Для определения контактных давлений в зоне контакта опорной поверхности пятникового узла при перевалке рассмотрим площадку взаимодействия между пятником и подпятником (рисунок 2). В решении по трению и износу на площади для определения контактных давлений в рассматриваемой паре трибосопря-жения было принято нагружение металла в зонах контакта в условиях упругого

Р

Рисунок 2 - Сопряжение опорных поверхностей нятникового узла при перевалке кузова вагона

деформирования. Рассмотрим элементную площадку контакта (рисунок 2), на которую действует некоторая сила р(1,р)с/Рпер.

С учётом величины износов деталей в паре трения получено нелинейное интегральное уравнение для определения контактного давления на сопряжении опорных поверхностей пятникового узла при перевалке кузова вагона

~а а Аг + р — 2лр сое оспер о (6)

= 5(0-2,(0, г)-г2(0, г),

где а, Ь - значения радиусов для сегмента зоны трения; апер- угол, определяющий границу зоны контакта, которая зависит от угла (Зпер.

Таким образом, износ опорных поверхностей пятника и подпятника при перевалке кузова зависит от угла (Зпер, нагруженности вагона, состояния пути и т.п.

В математических моделях установлены связи криволинейных участков пути с базой вагона, взаимное влияние материалов, размеров и допусков при изготовлении пятника и подпятника, загруженности вагона, его пробега и т.п., что позволяет проводить оценку износов в пятниковом узле от различного сочетания указанных факторов, в том числе рассматривать процессы, происходящие в период приработки контактных поверхностей.

Для проведения численного анализа по величинам износов рабочих поверхностей в трибосопряжении пятникового узла с использованием полученных уравнений, были разработаны алгоритмы и компьютерные программы, которые учитывают предысторию эксплуатации для каждого момента времени.

Анализ методов расчёта и расчётных моделей для определения контактных давлений и износов на опорных и цилиндрических поверхностях, а таких в условиях перевалки кузова вагона показал, что расчётные зависимости существенно отличаются друг от друга, однако при создании единого расчётного комплекса ряд подпрограмм могут иметь один и тот же вид. Поэтому для каждой из расчётных моделей необходимо было разработать собственные алгоритмы, а далее выделить в них общие части вычислительного процесса, для которых используются одни и те же программы.

В третьей главе «Возможности программного комплекса и верификация получаемых результатов на примере российских вагонов» с помощью разработанной расчётной программы приведены значения численных экспериментов влия-

ния эксплуатационных параметров на износ опорных и цилиндрических поверхностей с учётом изменения величины контактных давлений на примере российских вагонов. Процесс изнашивания поверхностей пятника и подпятника зависит от многих факторов.

Численные исследования износов в пятниковом узле проводились путём сопоставления с экспериментальными данными, полученными к.т.н. С.И. Пашари-ным, к.т.н. H.H. Ворониным, к.т.н. А.Е. Неживляком и др.

Разработанный метод позволяет проводить анализ зависимости величины износов в любой точке поперечного сечения пятникового узла от различных эксплуатационных параметров, моделей вагонов и т.п.

На рисунке 3 приведены распределения средних износов опорных поверхностей пятниковых узлов полувагонов в зависимости от их пробега.

Износ поверхностей пятникового узла после приработки, в точках, различно удалённых от центра, происходит достаточно равномерно с увеличением пробега вагона. Экспериментальные значения распределения средних износов опорной и цилиндрической поверхностей пятникового узла полувагонов показали удовлетворительное соответствие с результатами расчётов (рисунки 3 и 4). Проведённая верификация численных расчётов величин износов опорной и цилиндрической поверхностей пятниковых узлов и аналогичных экспериментальных значений показал, что расхождение между ними не превышает 15-18 %, причём эти расхождения направлены в запас прочности.

Понижение экспериментальных значений ниже расчётных при пробегах вагонов более 600 тыс. км (рисунок 3) связано с тем, что при очередном техническом обслуживании первоначальные тележки вагонов могли быть заменены на тележки других вагонов с меньшим износом или на них проводились восстановительные работы по наплавке изношенных поверхностей подпятников.

Ä расчёт -к эксп.

■к

*^^

о 200 400 600 goo

/., тыс. км

Рисунок 3-Средний износ опорных поверхностей пятниковых узлов полувагонов

В работе было проведено исследование влияния диаметров пятника и подпятника на износ их поверхностей. На рисунке 4 показано влияние увеличения диаметра на износ цилиндрической поверхности.

Одним из основных параметров, определяющих интенсивность изнашивания опорных и цилиндрических поверхностей пятникового уз-

Износ, мм 16 •

Г-Г"

Экс 1. им -1

о™ф«=-400

. Г

г (

1

!

250 300 350 !тыс. км

Рисунок 4 - Изменение износа цилиндрической поверхности пятникового узла полувагона в зависимости от различных диаметров пятника и подпятника

ла, является характер пути. Под характером пути, в данном случае, понимается наличие кривых различных радиусов. На основании статистических данных на один километр пути приходится, приблизительно, по одной кривой. При проведении численных экспериментов предполагалось, что для каждого варианта расчёта на пути следования

вагона встречаются кривые только од- , ,,

г г Рисунок 5 - Изменение износа в пятниковых

ного радиуса. Такое предположение узлах четырёхосной цистерны в зависимости вводилось с целью определения влия- от среднего радиуса кривых и её пробега

ния кривизны пути на износ (рисунок 5).

Исследование величины изно-сов цилиндрических поверхностей пятникового узла в зависимости от различных радиусов кривых участка пути при пробеге 100 тыс. км приведено на рисунке 6.

Из приведённых данных видно, что при увеличении радиуса кри-

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 У плавая координата, рад.

Рисунок 6 - Изменение износа цилиндрической поверхности пятникового узла четырёхосного ВОЙ участка пути ИЗНОС в пятниковом вагона в зависимости от радиуса кривых пути

узле имеет меньшую величину. При изменении угла поворота, износ меняется нелинейно.

При вписывании вагона в кривую одного и того же радиуса угол поворота ишос, мм пятника относи-

тельно подпятника зависит от типа вагона и, в первую очередь, от его базы. Соответственно у вагонов с большей базой

™ 200 300 400 500 600 700 ^800 т Ш00 УГ0Л ПОВОрОТЭ

ь, тыс. км больше и износ

Рисунок 7- Износ плоских поверхностей пятниковых узлов увеличивается (ри-в зависимости от типа вагона сунок 7)

Одним из основных способов повышения ресурса пятникового узла является подбор износостойких материалов не только при его изготовлении, но и при ремонте. Для анализа влияния ряда материалов, на износ пятникового узла были проведены численные исследования по разработанной программе.

В результате приведённых исследований различных комбинаций материалов в паре трения пятник-подпятник показано, что повышение износостойкости

изнашиваемых поверхностей и соответственно ресурса всего пятникового узла можно получить путём проведения восстановительных работ с помощью наплавки износостойкими материалами (рисунок 8). Например, пятник наплавить порошковой проволокой ПП-АН180МС, а подпятник - сварочной Св-10ХГ2СМФ, при „ этом суммарный износ снизится в 2-

Ь, тыс. км 1£0 ТГ^СГ ~

330 '00 О

_ . „ 3 раза, что подтверждается экспери-

гисунок 8 - Изменение износа в стандартном и ,

восстановленном пятниковом узле восьмносной ментами в работах к.т.н. А.Е. Не-пистерны живляка.

В четвертой главе «Численные исследования износов в пятниковых узлах грузовых вагонов на железных дорогах Мьянмы» приведён анализ грузового парка вагонов Мьянмы (таблица 1), различающихся по типам для перевозки различных грузов, а также размерам, весу тары и грузоподъёмности. Для ряда вагонов выполнены численные эксперименты по определению износов опорных и цилиндрических поверхностей пятниковых узлов и проведена оценка ресурса их рабо-

ты.

Таблица 1 -Характеристики грузовых вагонов Мьянмы

№ Типа вагона Модель База, Грузоподъ- Тара,

п/п MM ёмность, T T

1 GBHV 7800 33 15

SS 3

НИННННрНИИ! Bogie covered high speed home v/ацоп (крытый вагон;

2 Bogie open wagon (полувагон) SMBV 7500 35 13

3 WBCXHV 8391 31 15

Bogie longer container flat wagon (платформа)

4 - TBOHV 7772 30 15

Bogie L.P.G. tank wagon (цистерна)

5 KM ' И ® MBDHV 7000 31.5 18.5

SïjgaH

Bogie open rapid discharge hopper wagon (вагон-хоппер)

Практически, для перевозки грузов на железных дорогах государства Мьянма используются различные грузовые вагоны - универсальные и специализированные. Ведущим механизмом подвижного состава является экипажная часть вагонов. Значительную долю в общем числе отказов занимают повреждения ходовых частей: рамы тележек, колесные пары и детали шкворневого узла. Статистические анализы показали, что отказы ходовых частей и пятникового узла занимают второе место после отказов кузова, так как пятниковые узлы железнодорожных вагонов подвергаются значительным ударным, вибрационным и статическим воздействиям, часто превышающим проектные нагрузки, работают практически без смазывания, в сильно запыленной, а иногда и абразивной среде при повышенной влажности и температуре.

В связи с этим анализ износов и определение ресурса работы поверхностей пятниковых узлов в зависимости от условий эксплуатации грузовых вагонов является актуальной задачей для железных дорог Мьянмы.

Распределение контактных давлений цилиндрических поверхностей при контакте в зоне сопряжения не равномерно. Самое большое давление контакта действует в направлении оси продольной силы. Контактное давление уменьшается на прилегающих участках при удалении от центра контакта поверхностей.

Для цилиндрической поверхности пятникового узла крытого вагона модели ОВНУ, эксплуатирующегося в настоящее время на железных дорогах Мьянмы,

Рисунок9-Контактное давление на цилиндриче- различные диаметры. При

[СИХ ППИРПХНПГТ«* и гтатшль-^ппч .. —..............г г

ских поверхностях в пятниковом узле в зависимости '

от различных диаметров пятника и подпятника заз0Р межДУ НИМИ может ИЗМе-

этим в начальный момент эксплуатации зона контакта имеет разную протяжённость, а, следовательно, величина контактных давлений, в период приработки, оказывается не одинаковой.

был проведён численный анализ распределения контактных давлений на цилиндрических поверхностях пятникового узла в зависимости от начальных размеров пятника и подпятника (рисунок 9). Цилиндрические поверхности пятниковых узлов конструктивно из-за заложенных допусков при изготовлении имеют различные диаметры. При этом,

няться от 5 до 9 мм. В связи с

Из рисунка 9 видно, что при увеличении до максимального зазора между пятником и подпятником протяжённость зоны контакта уменьшается, но при этом максимальное давление увеличивается.

На основании обобщения полученных результатов, проведённых численных исследований, была построена номограмма для определения ресурса работы пятниковых узлов рассмотренных типов вагонов, эксплуатирующихся на железных дорогах Мьянмы (рисунок 10). Это позволяет назначать контрольные замеры износов элементов пятниковых узлов обоснованно для разных типов вагонов.

В таблице 2 приведены максимальные изно-сы опорных и цилиндрических поверхностей пятниковых узлов рассмотрен- рисунок 10 _ Определение износов на опорной поверхности ных грузовых вагонов, при ПЯТНИКОВЫХ узлов

одинаковом пробеге и наихудших условиях эксплуатации. Величины износов в пятниковом узле крытого вагона ОВНУ приняты за 100 %, т.к. он является наиболее распространенным. Из приведённых данных следует, что во всех других рассмотренных вагонах износ опорных поверхностей меньше чем в ОВНУ, износ цилиндрических поверхностей для вагонов модели \VBCXHV - увеличивается, для моделей 8МВУ и МВОНУ уменьшается, а для модели ТВОНУ практически совпадает. Таблица 2-Максимальные износы вагонов Мьянмы

Модель вагона Опорная поверхность Цилиндрическая поверхность

Износ максимальный, мм В процентах от крытого вагона ОВНУ, % Износ максимальный, мм В процентах от крытого вагона ОВНУ, %

ОВНУ 4.32 100 4.1 100

БМВУ 4.15 96 3.44 84

\VBCXHV 4.31 99 4.48 109

ТВОНУ 3.85 89 4.15 101

МВОНУ 4.16 97 3.1 76

При расчётной оценке ресурса пятникового узла учитывались основные параметры используемых вагонов, величина пробега, механические характеристики материалов пятника и подпятника, а также характеристика пути, масса брутто вагона и ряд других факторов, применительно к условиям Мьянмы.

Износ, мм

Рисунок 11 - Изменение износа на опорных поверхностях в пятниковых узлах используемой платформы и перспективной

Учитывая необходимость увеличения грузоперевозок на железных дорогах Мьянмы был проведён анализ износов в пятниковых узлах предполагаемых новых вагонов.

На рисунке 11 приведено сопоставление износов опорных поверхностей существующей платфор-° мы модели WBCXHV и перспективной с грузоподъёмностью 71 т, имеющей базу 10700 мм, тару 20,6 т.

В связи с увеличением её базы и грузоподъёмности, при прохождении кривых малых радиусов, происходит износ опорных поверхностей более интенсивно, что в конечном итоге приведёт к уменьшению её ресурса работы по сравнению с существующей платформой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведённый анализ конструктивных вариантов пятникового узла грузовых вагонов, предлагаемых различными коллективами и отдельными авторами, показал, что они усложняют конструкцию, увеличивают стоимость изготовления и текущего содержания вагонов. Наиболее приемлемым вариантом является подбор износостойких материалов, из которых изготавливаются пятник и подпятник, или использование специальных вставок, накладок и наплавок на их рабочие поверхности, что подтверждается проведёнными расчётами с помощью разработанных компьютерных программ.

2. Разработанный расчётный метод для определения износов контактируе-мых поверхностей пятникового узла, предусматривает вычисление контактных давлений в каждый последующий момент времени, что позволяет с помощью компьютерных программ, написанных на его основе, проводить численные эксперименты, рассматривая процессы износа опорных и цилиндрических поверхностей, а также учитывать влияние перевалки кузова грузового вагона во время его движения.

3. Проведённое тестирование разработанных алгоритмов и компьютерных программ показало, что исходные параметры, влияющие на величину контактных давлений и износов рабочих поверхностей в пятниковом узле, можно менять каж-

дый отдельно или в любом сочетании, что позволяет просматривать изменение контактных давлений и износов в процессе работы. Такими основными параметрами являются: база вагона, вес брутто, геометрические размеры пятника и подпятника, их материалы, радиусы кривых, их количество на единичном участке пути, протяжённость единичного участка пути, количество таких единичных участков, т.е. общий пробег вагона и т.п.

4. Верификация численных экспериментов, проведённых с помощью разработанных программ, показала, что расхождение с экспериментальными значениями, полученными другими исследователями при натурных испытаний пятниковых узлов различаются не более чем на 15-18 %, что означает удовлетворительное соответствие расчётных и экспериментальных значений для данного класса задач, причём эти расхождения идут в запас прочности.

5. Численные исследования показали, что на опорных и цилиндрических поверхностях пятниковых узлов в процессе эксплуатации происходит перераспределение контактных давлений: в начальный период контактные давления выше на периферийных участках, а по мере приработки их распределение становится практически равномерным и сохраняется на весь дальнейший срок работы.

Анализ изменений контактных давлений и износов показал, что в процессе работы соседние участки изнашиваются неравномерно и в связи с этим контактные давления, ответственные за износ, на соседних участках различаются, что вызывает дополнительный износ более нагруженных участков.

6. На численных примерах показано, что повышение износостойкости изнашиваемых поверхностей и, соответственно, ресурса всего пятникового узла можно получить путём проведения восстановительных работ с помощью наплавки износостойкими материалами. Например, пятник наплавить порошковой проволокой ПП-АН180МС, а подпятник - сварочной Св-10ХГ2СМФ, при этом суммарный износ снизится в 2-3 раза.

7. Политические реформы, начавшиеся в 2011 году в Республике Союза Мьянмы, были направлены на повышение жизненного уровня в стране, увеличение объёмов экспорта и импорта товаров, полезных ископаемых, сельскохозяйственной продукции, что потребовало развитие транспорта для их перевозки, и в первую очередь железнодорожного. Поэтому была разработана долгосрочная программа по восстановлению и развитию железнодорожной системы.

Анализ износов поверхностей пятниковых узлов показал, что в начальный период происходит приработка поверхностей и, в наиболее нагруженных зо-

нах, износ происходит более интенсивно. На опорной поверхности такими зонами является периферийные, а на цилиндрической - зона контакта пятника и подпятника, расположенная по направлению тянущего усилия, что вызывает более интенсивный износ в этих зонах. После приработки контактные давления распределяются более равномерно, и износы вдут по всей поверхности.

8. Численные эксперименты показали, что на ресурс работы пятникового узла большое влияние оказывает база, вес брутто вагона, а также условия эксплуатации - наличие кривых малых радиусов, вызывающих поворот пятника относительно подпятника на больший угол. Установлено, что для разных вагонов ресурс работы пятникового узла может различаться в 2,5 раза при движении по одному и тому же участку железнодорожного пути.

9. Анализ износов в пятниковых узлах перспективных вагонов (рассматривались конструкции грузовых вагонов, используемые на индийской железной дороге) показал, что на железной дороге Мьянмы их износ в пятниковом узле выше, чем у вагонов, которые эксплуатируются в настоящее время, что связано с большей базой и повышенной массой брутто, а также наличием кривых малых радиусов.

Основные научные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в работах Публикации в изданиях и журналах, рекомендованных ВАК

1. Воронин, H.H. Износы в пятниковых узлах цистерн [Текст] / H.H. Воронин, Зин Эй Мин, H.H. Воронин (мл.) // Мир транспорта. - 2013. - № 1. - С. 30-35.

2. Воронин, H.H. Контактные давления на цилиндрических поверхностях пятникового узла [Текст] / H.H. Воронин, Зин Эй Мин, H.H. Воронин (мл.) // Мир транспорта. - 2014. -№ 1. - С. 58-65.

3. Воронин, H.H. Приработка цилиндрических поверхностей пятниковых узлов вагонов [Текст] / H.H. Воронин, Зин Эй Мин, H.H. Воронин (мл.) // Мир транспорта. —2014, —№3. С. 14-21.

Публикации в других научных изданиях 1. Зин Эй Мин. Влияние типа вагона на износ пятникового узла [Текст] / Зин Эй Мин // Неделя науки - 2012 «Наука - транспорту»: труды научно-практич. конф.; под общ. ред. проф. В.М. Круглова; МИИТ. - М.: МГУПС (МИИТ), 2012. -С. III-83.

2. Воронин, Н. Н. Влияние загрузки цистерны на износ пятникового узла [Текст] / H.H. Воронин, Зин Эй Мин, Ник.Н. Воронин // Безопасность движения поездов: труды тринадцатой научно-практич. конф.; МИИТ, ОАО «Российские железные дороги», Министерство транспорта Российской Федерации и др. - М.: МГУПС (МИИТ), 2012. - С. VII-32.

3. Зин Эй Мин. Влияние износостойкой наплавки на работоспособность пятникового узла восьмиосной цистерны [Текст] / Зин Эй Мин // Неделя науки - 2013 «Наука - транспорту»: труды научно-практич. конф.; под общ. ред. проф. В.М. Круглова; МИИТ. - М.: МГУПС (МИИТ), 2013. - С. III-96.

4. Зин Эй Мин. Расчет контактных давлений на цилиндрических поверхностях пятникового узла [Текст] / Зин Эй Мин // Неделя науки - 2013 «Наука - транспорту»: труды научно-практич. конф.; под общ. ред. проф. В.М. Круглова; МИИТ.

- М.: МГУПС (МИИТ), 2013. - С. 111-97.

5. Воронин, H.H. Распределение контактных давлений в пятниковом узле в зависимости от начальных размеров пятника и подпятника [Текст] / H.H. Воронин, Зин Эй Мин, Ник.Н. Воронин // Безопасность движения поездов: труды четырнадцатой научно-практич. конф.; МИИТ, ОАО «Российские железные дороги», Министерство транспорта Российской Федерации и др. - М.: МГУПС (МИИТ), 2013. -С. III-17.

6. Воронин, H.H. Оценка износов в пятниковых узлах грузовых узлов [Текст] / H.H. Воронин, Зин Эй Мин, H.H. Воронин (мл.) // «Trans-Mech-Art-Chem»: труды X юбилейной международной научно-практическая конф. студентов и молодых ученых-М.: МГУПС (МИИТ), 2014. - С. 136-138.

7. Воронин, H.H. Влияние технологии восстановления пятниковых узлов 8-осной цистерны на их работоспособность [Текст] / H.H. Воронин, Зин Эй Мин, H.H. Воронин (мл.) // «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях»: сборник научных' статьей IV-ой международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию Юго-западного государственного университета.

- Курск: ЮЗГУ, 2014. - С. 135-138.

'Ц

ЗИН ЭЙ МИН

Оценка ресурса пятниковых узлов в зависимости от условий эксплуатации грузовых вагонов на железных дорогах Мьянмы

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать -/^о.лом Заказ № ЮЮ Формат 60x84/16 Типаж 80 Усл. Печ.л.- 1,5_

127994, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, УПЦ ГИ МИИТ.