автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Повышение величины и стабильности коэффициента сцепления колес локомотива с рельсами путем применения модификаторов трения

Введение

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Вопросы взаимодействия колеса и рельса при качении.

1.2. Анализ факторов, определяющих процессы сцепления колеса с рельсом.

1.3. Свойства поверхностных слоев загрязнений колес и рельсов.

1.4. Анализ мероприятий, направленных на повышение эффективности тягового подвижного состава.

1.5. Способы и устройства для обнаружения боксования локомотива.

1.6. Цели и задачи исследования.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ "ПУТЬ-ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ" МЕТОДОМ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

2.1. Динамическое подобие механических систем.

2.2. Физическое моделирование колебаний подвижного состава.

2.3. Физическое моделирование верхнего строения пути.

2.4. Динамическое подобие узла трения "колесо-рельс".

2.5. Методика моделирования узла трения "колесо-рельс".

3. РАЗРАБОТКА ЛЕТНЕГО И ЗИМНЕГО ВАРИАНТОВ МОДИФИКАТОРОВ ТРЕНИЯ КОЛЕС ПОДВИЖНОГО СОСТАВА С РЕЛЬСАМИ

3.1. Основные цели разработки модификаторов трения.

3.2. Анализ физико-химических свойств жидкого стекла.

3.3. Вязкостно-температурные характеристики силикатных жидкостей

3.4. Разработка составов компонентов жидкого и твердого модификаторов трения.

3.5. Разработка зимнего варианта жидкого модификатора трения.

4. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ МОДИФИКАТОРОВ ТРЕНИЯ

4.1. Измерительно-вычислительный комплекс для проведения трибологических исследований.

4.2. Исследование трибологических характеристик модификаторов трения.

4.3. Физические методы исследования поверхности трения модификаторов трения.

4.4. Рентгеноэлектронная и фотоэлектронная спектроскопия (РФЕС).

5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ "ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ - ПУТЬ"

5.1. Математическая модель "Электровоз ВЛ-80 - ВСП".

5.2. Моделирование движения электровоза ВЛ80, расчетная схема и параметры.

5.3. Расчетная схема механической части секции электровоза ВЛ80.

5.4. Кинематика расчетной схемы.

5.5. Действующие силы.

5.6. Результаты расчета модели.

5.7. Пример сравнения расчетных и экспериментальных данных.

6. ИНЖЕНЕРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ, ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТ ВНЕДРЕНИЯ МОДИФИКТОРОВ ТРЕНИЯ

6.1. Разработка приводов жидкого и твердого модификаторов трения.

6.2. Эксплуатационные испытания модификаторов трения.

6.3. Абразивно-жидкостная обработка контакта колеса с рельсом.

6.4. Расчет экономической эффективности.

В настоящее время на железнодорожном транспорте все большую актуальность приобретают рациональные методы эксплуатации, ремонта, обслуживания и модернизации подвижного состава, так как расходы на текущий ремонт тягового подвижного состава существенно превышают прирост парка в эксплуатации. Надо отметить ухудшающееся техническое состояние подвижного состава.

Исследования условий наиболее полной реализации силы сцепления колёс подвижного состава с рельсами и мероприятий, обеспечивающих эти условия, имеют большую практическую ценность. От величины и стабильности значений коэффициента сцепления зависят важные технико-экономические показатели эффективности локомотивной тяги, такие как вес, скорость перевозимых грузов и др.

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.

Коэффициент сцепления остается одним из основных показателей функциональной эффективности локомотива как тягового транспортного средства. Повышенный расход энергии и интенсивный износ колес и рельсов являются наиболее острыми проблемами рельсового транспорта. Устойчивое сцепление колес локомотивов с рельсами не всегда реализуется, что требует большого расхода песка, как наиболее эффективного и широко распространенного способа повышения сцепления колесных пар с рельсами.

В связи с вышесказанным исследование фрикционных характеристик тяжелонагруженной системы "колесо-рельс" и разработка методов повышения величины и стабильности тягового усилия локомотивов представляются актуальными и перспективными. 6

В данной диссертационной работе представлены результаты разработки конструктивных и технологических методов повышения коэффициента сцепления колес локомотива с рельсами путем модификации поверхности трения (применение в зоне контакта третьего тела).

Разработаны составы твердого и жидкого (летний и зимний варианты) модификаторов трения. Получен патент РФ 7 С 10 М 169/04//(С 10 М 169/04, 125:02, 125:26, 125:28, 155:02, 159:04, 101:02), С 10 N 50:02 Рельсовый модификатор трения./ Шаповалов В.В., Щербак П.Н., Могилевский В.А., Лубягов A.M. и др. (Российская Федерация).- №2170756 от 20.07.01. Заявка №2000102501, приоритет от 01.02.2000. 4с. Доказана эффективность разработанных методов повышения и стабилизации тяговых характеристик локомотивов. Впервые на базе данных динамического расчета уточненной модели механической системы "электровоз Вл-80 - путь" произведена корректировка рецептуры модификаторов трения с целью повышения среднего уровня величины коэффициента сцепления колес электровоза ВЛ-80 с рельсами и стабилизации силы тяги локомотива. Разработаны принципы тепловой диагностики и прогнозирования начала срыва сцепления (подана заявка на патент).

Научно обоснован и разработан принцип подачи жидкого модификатора трения, воздействующего на поверхность взаимодействия колеса и рельса распылением сжатым воздухом. Рациональная геометрия сопла форсунки и воздушное экранирование стенок рабочего тела позволяют исключить катастрофический износ элементов привода при подачи абразивно-жидкостной смеси.

Использование научно-технической продукции осуществляется на предприятиях Северо-Кавказской железной дороги (локомотивное депо станции Батайск). 7

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Из анализа специальной технической и патентной литературы следует, что коэффициент сцепления колес локомотива с рельсом является одним из основных показателей эффективной эксплуатации локомотива, а наиболее перспективным путем повышения коэффициента сцепления колес локомотива с рельсами является модификация поверхностей трения.

2. На базе теории физического моделирования системы "Электровоз BJI80 -путь" получены критерии подобия, используемые для моделирования процесса взаимодействия колеса и рельса, проведены расчеты масштабных коэффициентов перехода от натуры к модели.

3. Разработаны и оптимизированы летний и зимние варианты оригинальных модификаторов трения, обеспечивающих взаимодействие фрикционных поверхностей с коэффициентом трения для твердого модификатора 0,3 -0,35, для жидкого - 0,4 - 0,46 при 5 - 20% относительном проскальзывании поверхностей пар трения.

4. В результате применения физико-химических исследований поверхностей трения раскрыт механизм образования модифицированных слоев силикатного происхождения на контактных поверхностях, что позволило объяснить природу действия модификатора и уточнить состав композиций.

5. Используя математическую модель, с учетом изменения коэффициента трения по гармоническому закону получена зависимость амплитуды колебаний силы тяги локомотива от частоты изменения коэффициента сцепления колес с рельсами и наблюдается резкий скачок в пределах изменения частоты коэффициента сцепления 16-18 Гц.

6. В результате анализа конструктивных особенностей, модернизируемой трибосистемы "колесо - рельс", разработаны и реализованы

193 оригинальные конструкции устройств и приводов для подачи жидкого и твердого модификаторов трения.

7. Итогом проведенного комплекса теоретических, экспериментальных лабораторных исследований, а также эксплуатационных испытаний с динамометрическим вагоном-лабораторией являются следующие результаты:

- применение модификаторов трения позволило на 38% повысить среднее значение токов на якоре тяговых двигателей, при которых происходит срыв сцепления;

- значение токов на якоре тяговых двигателей в момент срыва сцепления составляло 1д=1240 - 13 60А, в момент срыва сцепления на «сухих» рельсах 1д=920 - 940А;

- при 5-20 процентном проскальзывании износ уменьшается в 2-2,5 раза по сравнению с работой в условиях подачи песка.

194

1. Гарг В.К., Дуккипати Р.В. Динамика подвижного состава // М. Транспорт, 1998,388 с.

2. Крагельский И.В. Молекулярно-механическая теория трения. Трение и износ в машинах. Труды второй Всесоюзной конференции по трению и износу в машинах, АН СССР, т. III, 1949.

3. Максак В.И. Предварительное смещение и жесткость механического контакта. М.: Наука, 1975, 60 с.

4. Беляев Н.М. Применение теории Герца к подсчетам местных напряжений в точке соприкАСания колеса и рельса/ЛГруды по теории упругости и плАСтичности.-М.: Гостехиздат, 1957.-С.9.30.

5. Carter F. On the stability of Running of Locomotives; Proceedinds of the Rayal Society Series A, vol.112. №A. 760.1926; vol.121, 1928.

6. Исаев И.П., Лужнов Ю.М. Проблемы сцепления колес локомотива с рельсами,- М.: Машиностроение, 1985.-238 с.

7. Беляев Н.М. Местные напряжения при сжатии упругих тел// Труды по теории упругости и плАСтичности.-М.:Гостехиздат, 1957.-с.31.145.

8. Минов Д.К. Теория процесса реализации сил сцепления при электрической тяге и способы повышения их использовния,- В сб.: Проблемы повышения эфективности работы транспорт. М. изд-во АН СССР. 1963.

9. Вериго М.Ф., Коган А .Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. М.: Транспорт, 1986, 559 с.

10. Hertz Н. Veber die beruhrung fester elastischer Korper und uber die Harte-Gesammelte Worke.- p.155-196.

11. Максак В.И. Предварительное смещение и жесткость механического контакта. М.: Наука, 1975, 60 с.

12. Коняхин И.Р. Дискретный контакт и его механические свойства. Изв. Томского политехнического института, 1970, т. 175.195

13. Клепиков В.Б. О природе низкочАСтотных автоколебаний при боксовании колес// Вестник ВНИИЖТ. №7, 1986. с.37.,.40.

14. Боуден Ф. Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел М. : Машиностроение, 1968.15. . Ишлинский А.Ю. Линейные законы деформации не вполне упругих тел. Доклады АН СССР, т.26 , №1, 1940.

15. Михин Н.М., Рамишвили Г.Я. Новый метод определения сближения и контактного предварительного смещения твердых тел.- Сб. "Трение твердых тел". М., Наука, 1964.

16. Кочергин В.В., Кочергин А.В. Минимизация низкочАСтотных крутильных колебаний в тяговых приводах с опорно-осевым редуктором //Вестник ВНИИЖТ, №7. 1985. с.23-26.

17. Минов Д.К. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей. М.: Транспорт, 1965.

18. Greenwood I. А. , Tabor D. The friction of hard slider on Lubricated lubber, the importal of deformation losses.- Proc. Roy. Phys. Soc.-1958. V.71.22. . Lecornu L. Sur be frottement de glissement.- Comptes Rendus, 1905, v. 140.

19. Меншутин H.H. Исследование скольжения колесной пары электровоза при реализации силы тяги в эксплуатационных условиях. Труды ВНИИЖТ, вып. 188, 1960.

20. Феппль А., Феппль Л. Сила и деформация. Т1 и 11. М ., ОНТИ, 1936.

21. Ковальский Б.С. Напряжения на площадке местного смятия при учете силы трения. "Известия АН СССР". Отделение технических наук, №9, 1942.

22. Саверин М.М. Контактная прочность материала. М. Машгиз, 1946.196

23. Lorenz R. Schien und Rad. Z.V.D.V. 72, 1928.29. . Foppl L. Beanschpruchung von Schienc u. Rad. Forschung G.W. 1936.

24. Петров Н.П. О непрерывных тормозных системах // Известия С. Пб. технологического института. - С. - Петербург, 1978 г.

25. Минов Д.К. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей. -М.: Транспорт, 1965 г.

26. Исаев И.П. Случайные факторы и коэффициент сцепления. М.: Транспорт, 1970 г.

27. Лужнов Ю.М. Физические основы и закономерности сцепления колес локомотивов с рельсами. Дисс. докт. техн. наук. - М., 1978г.

28. Долганов А.Н. Экспериментальная оценка влияния конструкции экипажа на степень использования сцепного веса локомотива // Ежемесячный бюллетень МАЖК.-№4.-1969.

29. Кондратенко А.С. Прогнозирование сцепных свойств электровозов с учетом особенностей районов эксплуатации / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, РГУПС, 1999.

30. Бычковский А.В. Повышение тяговых свойств эксплуатируемых локомотивов // Техника железных дорог. №№ 8-9.- 1946.

31. Барский М.Р., Сердинова И.Н. Экспериментальные исследования процессов боксования и юза электровозов // Вопросы повышения эффективности работы эксперимента.- Вып. 1.- М.: АН СССР, 1953.

32. Хлебников В.Н. Определение коэффициента использования сцепного веса электровозов в кривых учАСтках пути // Вопросы электрификации железных дорог на однофазном токе.-М.: АН СССР, 1957.

33. Бабичков A.M., Егорченко В.Ф. Тяга поездов.- М.: Трансжелдориздат, 1962.

34. Лужнов Ю.М., Попов В.А. Влияние скольжения на фрикционные характеристики колес и рельсов // Трибоника и антифрикционное материаловедение.- НовочеркАСск: Изд-во НПИ, 1980.197

35. Вербек Г. Современное представление о сцеплении и его использовании7/ Железные дороги мира.- №4.- 1974.

36. Френкель Э.М. К вопросу о сцеплении колеса с рельсом // Тр.МИИТ,-Вып. 23.-Харьков, 1953.

37. Желев Ж.Д. Влияние изменения осевой нагрузки и геометрии бандажа локомотива на коэффициент сцепления.- Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1977.

38. Петраковский С.С. Тягово-энергетические свойства магистральных тепловозов в условиях Крайнего Севера.- Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.- М., 1979.

39. Самме Г.В. Исследование режимов пуска грузового электровоза и экологических свойств фрикционного контакта колесо-рельс.-Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук,-М., 1957.

40. АСинхронный тяговый привод электроподвижного состава / Н.А. Ротанов, В.М. Антюхин и др. // Труды МИИТ.- Вып. 678.- М., 1980

41. Электрическая тяга / В.Е. Розенфельд, И.П. Исаев, Н.Н. Сидоров. М.: Трансжелдориздат, 1962 г.

42. Исаев И.П., Лужнов Ю.М. Проблемы сцепления колес локомотива с рельсами. -М: Машиностроение, 1985г. -238с.

43. Косиков С.И. Условия скольжения на рельсе // Известия АН СССР.-ОТН.- №8.- 1957.

44. Косиков С.И. Фрикционные свойства железнодорожных рельсов.- М.: Наука, 1967.

45. Косиков С.И. Причины появления ледяной пленки на рельсах и возможные меры борьбы с ней // Железнодорожный транспорт,- №2.1956.198

46. Методика и аналитические исследования состава поверхностных загрязнений / Ю.М. Лужнов, Р.Г. Черепашенец, Р.В. Сальман // Тр. МИИТ.- Вып. 445.- М., 1973.

47. Зависимость сцепления электровозов от коэффициента трения на поверхности рельсов / Р.Г. Черепашенец, Ю.М. Лужнов, М.А. Шевандин // Вестник ВНИИЖТ. № 6. - 1978 г.

48. Исаев И.П., Лужнов Ю.М. Проблемы сцепления колес локомотива с рельсами. М.: Машиностроение, 1985г. - 238с.

49. Исаев И.П. К проблеме сцепления колес локомотива с рельсами. В сб. : Физико-химическая механика сцепления. Труды МИИТа, вып. 445. М., 1973, С.3.12.

50. Пинегин С.В. Контактная прочность и сопротивление качению. М., Машиностроение, 1969.

51. Фришман М.А. Как работает путь под поездами. М., Транспорт. 1983.

52. Вербек Г. Современные представления о сцеплении и его использовании (пер. с нем)-"Железные дороги мира", 1974, "№4 .67. . Лазарян В.А. Динамика вагонов. М., Транспорт, 1964.

53. Николаев И.И. Динамика локомотивов. М., Трансжелдориздат, 1962.

54. Павленко А.П. Динамика тяговых приводов магистральных локомотивов. -М.: Машиностроение, 1991.-192 с.

55. Пути создания локомотива с улучшенным использованием сцепления. : Бюллетень международной Ассоциации ж- д. конгрессов," №7, 1966.

56. Вейц В.Л., Коловский М.З. Кочура А.Е. Динамика управляемы машинных агрегатов. М.: Наука. 1984. 352 с.199

57. Камаев В. А. Оптимизация параметров ходовых чАСтей железнодорожного подвижного состава

58. Кочергин В.В., Кочергин А.В. Минимизация низкочАСтотных крутильных колебаний в тяговых

59. Косиков С.И. Фрикционные свойства железнодорожных рельсов. М. Наука, 1967-112 с.

60. Эндрюс Х.И. Механизм сцепления.- Железные дороги мира, №9-1972, с.27-39

61. Евсеева М.Е., Ламарин К.А., Янсон О.М. Исследование характеристик трения намагниченных ферромагнитных пар / Труды СЗПИ-№11.-1970.

62. Волков А. Экспериментальные исследования электромагнитного устройства для увеличения сцепной силы тяги рудничного электровоза / Изв. Вузов.- Горный журнал, №3-1963.

63. Деев В.В., Ильин Г.А., Афонин Г.С. Тяга поездов.- М.: Транспорт, 1987.264 с.

64. Лужнов Ю.М. Физические основы и закономерности сцепления колес локомотива с рельсами. Диссертация на соискание учений степени доктора технических наук, М.-1978 355 с.

65. Лужнов Ю.М., Попов В.А., Студентова В.Ф. Потери энергии и их роль при реализации сцепления колес с рельсами / Трение, износ и смазочные материалы / Труды докл. Межд. Научно-техн. конф., Ташкент, 22-26 мая, 1985.-М., 1985-Т1,- с.1383-1387.

66. Черный B.C. Повышение величины и стабильности тягового усилия локомотивов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Ростов/Дону, 1998

67. Патент Франции № 2067759, кл. В 60 L , 1971г.

68. Авторское свидетельство СССР // Способ устранения избыточного скольжения осей автономного локомотива и устройство для его осуществления. № 2452148, кл. В 60 L 3/10, 1980г.200

69. Авторское свидетельство СССР № 187078, кл. В 60 L 3/10, 1963г.

70. Авторское свидетельство СССР // Устройство для обнаружения боксования колесных пар локомотива. № 506525, кл. В 60 L 3/10, 1974г., (прототип).

71. Авторское свидетельство СССР // Устройство для защиты тепловоза от боксования. № 2943283, кл. В 60 L 3/10, 1982г.

72. Авторское свидетельство СССР № 2630079/24-11, кл. В 60 L 3/10, 1978г., (прототип).

73. Авторское свидетельство СССР // Устройство защиты локомотива от боксования и юза. -№ 2426256, кл. В 60 L 3/10, 1981г.

74. Авторское свидетельство СССР № 527312, кл. В 60 L 3/10, 1977г.

75. Авторское свидетельство СССР // Устройство для защиты от боксования колесных пар локомотива. № 2729257, кл. В 60 L 3/10, 1980г.

76. Авторское свидетельство СССР № 493994, кл. В 60 L 3/10, 11.05.1972г., (прототип).

77. Авторское свидетельство СССР // Устройство для обнаружения буксования и юза локомотива. № 2364080, кл. В 60 L 3/10, 1977г.

78. Авторское свидетельство СССР № 319507, кл. В 60 1 3/18, 27.01.1969г.

79. Авторское свидетельство СССР // Устройство для обнаружения боксования тепловоза. -№ 2509913, кл. В 60 L 3/10, 1980г.

80. Авторское свидетельство СССР № 187078, кл. В 60 L 3/10, 1963г.

81. Авторское свидетельство СССР // Устройство для защиты от скольжения колесных пар электроподвижного состава постоянного тока. № 2647624, кл. В 60 L 3/10, 1980г.

82. Авторское свидетельство СССР № 506526, кл. В 60 L 3/10, 1974г.

83. Авторское свидетельство СССР // Устройство для обнаружения буксования локомотива. № 2367463, кл. В 60 L 3/10, 1977г.108.

84. Авторское свидетельство СССР № 202200, кл. 20 1, 1, 25.01.1964г.201

85. Авторское свидетельство СССР // Устройство для обнаружения скольжения колесной пары транспортного средства. № 427879, кл. В 60 Т 8/32, 1972г.

86. Авторское свидетельство СССР // Устройство обнаружения боксования и юза колес транспортного средства. № 810535, кл. В 60 L 3/10, 1978г.

87. Авторское свидетельство СССР // Устройство обнаружения боксования и к колес транспортного средства с электрической передачей. № 552016, кл. В 6С 3/10, 1977г.1. Жидкое стекло

88. Григорьев П.Н., Матвеев М.А. РАСтворимое стекло. М., 1956

89. Головченко И.П., Зубков Е.Н. Жидкое стекло как основа для смазочных материалов. Ростов-на-Дону, монография РГУПС, 1992, 82 с.

90. Евдокимов Ю.А., Головоченко И.П., Кулаков В.А. Исследование влияния температуры окружающей среды на вязкостные свойства некоторых смазочных силикатных композиций // Изв. СКНЦ ВШ. Технические науки. 1998. №12.

91. Головченко И.П. Повышение надежности и долговечности горного оборудования путем использования силикатной рабочей жидкости // Тр. РИИЖТа. Ростов-на-Дону, 1981. Вып. 158. с. 32-34.

92. Кутьков А.А., Сиренко Г.А., Щеголев В.А. Жидкое стекло как смазочный материал для подшипников качения и зубчатых передач // Сб. тр. НИИ. НовочеркАСск, 1969. Т. 215. с. 24-49.

93. Кутьков А.А., Сиренко Г.А., Карнопольцев Н.Н. Механизм смазочного действия жидкого стекла при трении стали // Сб. тр. НИИ. НовочеркАСск, 1969. Т. 215. с. 110-121.

94. Синицин В.В. Подбор и применение плАСтичных смазок. М., 1969. 376 с.

95. СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯi1. Скорости кузова и тележекi1. VitX11. VitX2 VitX91. FzuM1. Тележка-1.436j -1.438-1.44-1.442i •I -1.444-1.4461. N -1.448-1.45-1.4521 -1.454-1.456-1.4581. DecZ90 5 1 "i . 5 $ 2 .—i— 5 3 3