автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Прогнозирование сцепных свойств локомотивов с различными типами тяговых электродвигателей

На правах рукописи

ЛЯПУШКИН НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ ЛОКОМОТИВОВ С РАЗЛИЧНЫМИ ТИПАМИ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность: 05.22.07 — Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

7 НОЯ Ш

005537557

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2013

005537557

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении «Московском государственном университете путей сообщения» МГУПС (МИИТ) на кафедре «Электрическая тяга».

Научный консультант - д.т.н., профессор Савоськин Анатолий Николаевич

Официальные оппоненты:

Ромен Юрий Семенович доктор технических наук, профессор, ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ)», главный научный сотрудник;

Никифоров Борис Данилович доктор технических наук, профессор, ЗАО «Центр внедрения новой техники и технологии» зам. ген. директора;

Щербаков Виктор Гаврилович, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮжноРоссийский государственный университет» (Новочеркасский политехнический институт), профессор кафедры "Электрический транс-

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ПГУПС);

Защита состоится 26 декабря 2013 года в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д218.005.01, созданного на базе МГУПС (МИИТ), по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова д.9,стр. 9, ауд. 2505.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения. Автореферат разослан 19 октября 2013г. Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук А. В. Саврухин

порт".

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. Актуальность. Интерес к проблеме сцепления перемещающихся металлических деталей возник в середине XIX века. Систематическое изучение вопросов, связанных со сцеплением колеса с рельсом началось при зарождении теории и практики тяги поездов. Формировалась экспериментальная база по определению коэффициента сцепления, а также математический аппарат для обработки полученных экспериментальных данных. Во второй половине XIX века первыми опытами в этом направлении были работы А. Пуаре, М. Боше и Дж. Бюте. В 1915 году Н. П. Петров на основе экспериментальных данных получил аналитическую зависимость коэффициента сцепления от скорости движения локомотива. Аналогичные выражения были предложены А. Мюллером, А. Вихертом, X. Котером, Е. Куртиусом и А. Книфлером, С. М. Андриевским, Н. Н. Меньшутиным и рядом других авторов.

От процессов, происходящих в контакте колеса и рельса, зависит реализация силы тяги локомотивом. Потребляемая локомотивом энергия реализуется в этом контакте, а эффективное использование этой громадной по величине энергии зависит только от сцепления колеса с рельсом. Однако, природа этого процесса оставалась неизученной, хотя авторы многих работ, посвященных данной тематике, подчёркивали настоятельную необходимость изучения физических процессов, происходящих в контакте колесо рельс. Данная работа является актуальной поскольку позволяет определить силу сцепления при скорости движения близкой к нулю и скорости скольжения выше критического, а также осуществить прогнозирование сцепных свойств локомотивов независимо от типа их тяговых электродвигателей.

Степень разработанности. Для описания природы сцепления колеса с рельсом были предложены многочисленные теории. Основные из них - теория пластического деформирования И. Гран-вуане; теория продольного крипа О. Рейнольдса и Н. П. Петрова; дифференциального крипа А. Пальмгрена и Г. Хиткоута; молекулярная теория Г. Томлисона; теория упругих несовершенств А. Ю. Ишлинского. Совместный учет влияния объемных и поверхностных эффектов на сопротивление качению рассмотрен в работах И. Г. Горячевой. Однако достигнутый уровень науки о трении качения со скольжением до сих пор не позволяет объяснить ос-

новные закономерности, наблюдаемые в практике качения колеса локомотива по рельсу.

Второе столетие проблема сцепления колеса с рельсом является предметом рассмотрения многими учеными у нас в стране и за рубежом. Международная конференция по сцеплению (Лондон, 1963 г., Щербинка "Колесо - рельс 2003г., круглый стол", Москва, МПС РФ, ВНИИЖТ), констатировали отсутствие знаний о физике процессов в пятне контакта стальных колес и рельсов. В своей работе в 2003 году А. Л. Голубенко утверждает «...не только в нашей стране, но и в мире отсутствуют публикации, посвященные изучению физических процессов в контакте двигающегося колеса и рельса».

Цель исследования. Разработка модели сцепления колеса локомотива с рельсом и прогнозирование сцепных свойств локомотивов с различными типами тяговых электродвигателей.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- установлено влияние силы тяги локомотива на величину концентрации дислокации на поверхности рельса и получено аналитическое выражение для определения концентрации дислокации в пятне контакта, учитывающее динамику её движения в объеме рельса;

- определена сила взаимодействия группы атомов колеса и рельса в активной зоне, возникшей на пятне контакта, в результате выхода дислокаций на это пятно под действием нормальных и тангенциальных сил;

- установлено влияние относительной скорости скольжения колес локомотива на температуру в пятне контакта колеса с рельсом с использованием термодинамики неравновесных процессов;

- определено влияние относительной скорости скольжения на величину силы и коэффициента сцепления, а также построены зависимости силы сцепления от скоростей скольжения и движения колеса локомотива с различными системами возбуждения их тяговых электродвигателей.

- выполнена проверка адекватности расчетных характеристик сцепления путем сравнения её с экспериментальными;

- определены особенности реализации процессов сцепления для локомотивов с различными системами возбуждения его тяговых двигателей в различных режимах тяги;

- установлена причина возникновения автоколебаний при реализации сцепления локомотивом.

Методы исследования:

в процессе исследования были использованы следующие методы:

- методы физики твердого тела, в частности, методы анализа структуры твердых тел и дислокационная модель пластического течения металлов;

- физико-химическая модель образования окисной пленки на поверхности рельса;

- метод термодинамики неравновесных обменных процессов при контакте колеса и рельса в условиях нормального и тангенциального воздействия со стороны колеса на рельс;

- численное моделирование взаимодействия колеса локомотива с рельсом, а также колебательных процессов в тележке и тяговом электроприводе электровоза.

Научная новизна:

- уточненная модель сцепления колеса локомотива с рельсом совместно с моделью вертикальных колебаний тележки локомотива и крутильных колебаний в его тяговой передаче позволяет выполнять исследования тяговых и сцепных свойств локомотива на стадии его проектирования;

- в предлагаемой модели взаимодействия колеса и рельса сила сцепления рассматривается как сила разрушения захватов, возникающих в процессе физического взаимодействия между атомами колеса и рельса, а процесс скольжения - как процесс трансляционного пластического течения материала в пятне контакта, вызванного «схлопыванием» дислокаций, вышедших на поверхность контакта;

- построены расчётные трёхмерные зависимости коэффициента сцепления от скоростей движения и скольжения для локомотивов с последовательной и независимой системами возбуждения тяговых двигателей;

- разработана методика расчета температуры поверхности рельса и колеса локомотива на контактной площадке;

- установлено, что в силу различий в объемных деформациях окисной пленки и металла, коэффициента их теплового расширения, а также из-за скольжения колеса по рельсу, на поверхности рельса происходит разрушение окисной пленки с находящимися на её поверхности загрязнениями;

- установлено, что причиной автоколебаний колеса локомотива при пробуксовке является неравновесное состояние поверхностных слоев рельса, связанное с увеличением их температуры более 1000А";

- показано влияние способа возбуждения тягового двигателя локомотива на устойчивость к возникновению крутильных автоколебаний колеса.

На защиту выносится разработанная модель сцепления, учитывающая физические процессы, происходящие в зоне контакта, позволяющая построить трёхмерную зависимость коэффициента сцепления от скоростей движения и скольжения колеса по рельсу для локомотивов с различными типами тяговых электродвигателей, а также прогнозировать сцепные свойства проектируемых локомотивов и уточнить механизмы срыва и восстановления сцепления.

Достоверность результатов исследования основывается на корректном использовании положений физики твердого тела и методов численного моделирования взаимодействия колеса локомотива с рельсом, а также колебательных процессов в тележке и тяговом электроприводе электровоза.

Практическая ценность результатов:

- разработаны на уровне изобретений способ и устройство для увеличения сцепления колес локомотива с рельсом;

- предложенная модель сцепления позволяет более точно оценить сцепные свойства на стадии проектирования локомотива с различными типами его тяговых двигателей, а также оценить электромагнитные, электромеханические и механические процессы, протекающие одновременно как в силовой части локомотива, так и непосредственно в пятне контакта колеса с рельсом, при обычных и повышенных осевых нагрузках;

- разработана программа расчета величины скольжения и силы сцепления колеса с рельсом в пакете МАТЬАВ, позволяющая моделировать процесс движения колеса локомотива по рельсу в различных режимах тяги и торможения;

6

- установлена причина автоколебаний колеса локомотива при срыве его сцепления с рельсом и доказаны преимущества применения тяговых электродвигателей с жесткими характеристиками для улучшения сцепных свойств локомотивов;

- подтверждена целесообразность кратковременного буксования локомотива при шунтировании резистором обмоток якоря тягового двигателя последовательного возбуждения, с целью повышения его тяговых и сцепных свойств, а также увеличения массы поезда;

Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в открытой печати и докладывались на научно-практических конференциях: "Колесо-рельс 2003г., круглый стол", Москва, МПС РФ, ВНИИЖТ, 2003 г.; на XI и XII Международных конференциях "Проблемы механики железнодорожного транспорта", Днепропетровск, 2004г. и 2005г.; на семинаре «Механика фрикционного взаимодействия твердых тел имени И. В. Крагельского» института проблем механики РАН; на Всероссийской научно-практической конференции "Транспорт России: проблемы и перспективы" на XI научно-практической конференции "Безопасность движения поездов" проблемы и перспектива", на научном семинаре Ростовского государственного университета путей сообщения, на научном семинаре Брянского государственного технического университета, на семинаре «ВНИИКТИ».

Диссертационная работа доложена на расширенных научных семинарах и .заседаниях кафедры "Электрическая тяга" МИ-ИТа.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 22 научные работы из них 15 в изданиях, рекомендованных ВАК, три работы в трудах международных конференций, получено два авторских свидетельства.

Структура и объем диссертации:

Работа содержит 270 стр. текста, 3 приложения, 85 иллюстрации, 146 наименований в списке литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

В первой главе дан анализ работ в области эксплуатационных испытаний и существующих теорий сцепления колес локомотива с рельсом. С первых дней эксплуатации железнодорожного транспорта одной из основных проблем был поиск путей повышения сцепления колес подвижного состава и рельса. Для ре-

шения этой проблемы проводились многочисленные эксплуатационные испытания в режимах тяги и торможения поездов. Большой вклад в обобщение результатов этих испытаний и разработку математических моделей анализа полученных данных внесли: С. М. Андриевский, М. Р. Барский, А. А. Голубенко, И. П. Исаев, А. Л. Лисицын, Ю. М. Лужнов, Н. Н. Меньшутин, Д. К. Минов, Л. А. Мугинштейн, А. П. Павленко, Н. П. Петров, Д. Н. Покровский, Г. В. Самме, В. И. Сокало, Ф. Барвел, М. Бернард, М. Боше, Т. Бугарсис, М. Бушер, Дж. Бюте, X. Вебер, М. Вейн-хард, А. Вихерт, Е. Р. Вулакот, Н. Зевенховен, Дж. Калкер, Ф. Картер, А. Книфлер, Ф. Котер, Е. Куртиус, М. Липсис, X. Лукас, А. Мецко, Т. Мецков, А. Мюллер, Ф. Новион, А. Пуаре, А. Ро-бертсон, Ф. Фредерих, X. Эндрюс, и другие.

На основании результатов этих исследований были получены и уточнены зависимости силы сцепления колеса локомотива с рельсом от скорости движения, которые вошли в правила проведения тяговых расчетов (ПТР), и зависимости силы сцепления (коэффициента сцепления) от относительной скорости скольжения колеса по рельсу. Было установлено влияние на величину силы сцепления влажности воздуха, загрязнения рельса, наличия песка на нем и т. п. Однако не были разработаны модели, рассматривающие физические процессы при контакте колеса с рельсом. Вместе с тем, в силу значительных нормальных и тангенциальных давлений, действующих между колесом и рельсом, при определении силы сцепления необходимо учитывать взаимодействие между колесом и рельсом на контактной площадке на атомном уровне.

Ф. Картером в результате решения задачи вращения двух неметаллических цилиндров с параллельными осями, находящимися в контакте, было получено выражение для касательной силы Рх, приложенной к колесу в направлении движения. Сила Рх получила название "сила крипа", а в теории тяги поездов сила сцепления. Ф. Картер постулировал, что в направлении по ходу движения колеса образуется зона сжатия, а с противоположной стороны - зона растяжения, и как следствие этого, по длине пятна контакта существуют участки сцепления и скольжения. Участок сцепления прилегает к набегающему краю контакта. Ф. Картер не приводит ни физического, ни математического доказательства существования крипа, а лишь его постулирует.

8

В дальнейшем Дж. Калкер, не затрагивая основ гипотезы Ф. Картера, более полно отобразил реальные условия движения колеса по рельсу с учетом произвольного направления скольжения и верчения. Недостатки методики Дж. Калкера состоят в том, что в неё введены априорно выбираемые корректирующие поправки для устранения количественных различий в результатах теоретических расчетов и эксперимента. Кроме того, линейная теория Дж. Калкера справедлива только для малых крипов, соответствующих упругим деформациям стальных деталей, измеряемым микронами, а распространяется на кинематические перемещения колеса, вызванные скольжением относительно рельса, составляющие десятки миллиметров.

Применение теорий Ф. Картера и Дж. Калкера дает значительное превышение расчетных сил крипа над экспериментальными данными. К тому же, приравнивая силу крипа к силе сцепления, получаем качественно неправильный вывод о том, что для статического положения или для бесконечно малой скорости скольжения, сила, необходимая для перемещения колеса, также бесконечно мала.

Таким образом, объяснение сцепления силами крипа является недостаточным. Вычисленная величина силы крипа и реальная сила сцепления значительно отличаются. Силами крипа нельзя объяснить сцепление колеса при малых скоростях его движения и скорости равной нулю. Для объяснения физических процессов, происходящих при сцеплении, необходимо рассматривать процессы, происходящие в пятне контакта с позиций физики твердого тела и термодинамики неравновесных процессов.

Вторая глава содержит анализ принятой методики решения поставленных задач. К ним относится дислокационная модель пластической деформации твердых тел, термодинамика неравновесных процессов взаимодействия поверхностей металлов и участие дислокаций в этом взаимодействии, а также влияние поверхностных пленок на установление физической связи между поверхностями металлов. Для этого рассмотрены процессы, происходящие в пятне контакта колеса и рельса, с позиции физики твердого тела с использованием аппарата квантовой механики.

Концентрацию дислокаций определяют как число дислокационных линий, пересекающих единичную площадку внутри кристалла. Анализируя экспериментальные работы, Ч. Киттель приводит возможные значения концентрации дислокации 10210 см в наиболее совершенных оптически чистых кристаллах, и 10-101' " см в сильно деформированных кристаллах.

Величина энергии, накопленной при пластической деформации, была определена в работах ряда авторов для латуни и сталей. На основе калориметрических измерений и анализа ушире-ния рентгеновских дифракционных линий Ч. Киттель показал, что перемещение одной дислокации требует затрат энергии около 8эВ. При выходе её на поверхность такое же количество энергии выделяется во внешнюю среду. Изучение формы линий также позволило сделать вывод, что большая часть деформации является неоднородной на протяжении нескольких элементарных ячеек. Это подтверждает справедливость дислокационной модели скольжения (пластической деформации) и указывает на то, что на поверхности металла вблизи точек выхода дислокации имеются области, деформация которых далеко выходит за пределы упругости и атомы этой области на поверхности металла "слабо" связаны с атомами в объеме.

По данным Б. Авербаха, концентрация дислокаций в процессе деформации увеличивается в 103 раз. Кроме того, если одна дислокация проходит вдоль всей плоскости, то это должно вызывать на поверхности смещение одной атомной плоскости, тогда как в действительности, смещенными на поверхности оказываются в Ю2 - 103 раз больше плоскостей. Для объяснения этого эффекта У. Франк и В. Рид предложили модель «размножения (генерации) дислокаций», механизм которой подобен размножению мыльных пузырей.

В диссертации найдено значение энергии активации обменного процесса при объединении поверхностных атомов, в предположении, что атомы на поверхности соприкосновения, образовавшиеся за счет выхода дислокации, являются квазисвободными. Значение этой энергии составляет менее \эв.

Таким образом, энергия активации обменного процесса при объединении квазисвободных атомов активного центра на поверхности рельса с атомами колеса, примерно на порядок меньше запаса энергии в результате выхода дислокации на поверхность.

ю

Это означает, что процесс установления физического взаимодействия между атомами колеса и рельса протекает самопроизвольно, при условии наличия активных центров на поверхности рельса (тангенциального давления со стороны колеса на рельс) и отсутствия окисной пленки на поверхности рельса.

Тангенциальное напряжение ткр, вызывающее пластическую деформацию, может быть найдено из условия Мизеса, при действии нормального напряжения а„ и предела упругости металла

бупр-

о?+зткр2га^Пр- (1)

Это означает, что увеличение нормального давления на контактной площадке приводит к уменьшению значения тангенциального давления, вызывающего сдвиг рельсовой стали, сопровождаемый выходом дислокаций на поверхность.

Рассмотрим образование окисных пленок на рельсе, а так же условия их разрушения, поскольку, физическое взаимодействие между атомами колеса и рельса при наличии пленок на поверхности рельса, невозможно. Молекула кислорода, попадая на металл, расщепляется на атомы, которые химически взаимодействуют с металлом и образуют с ним очень прочные направленные связи.

Через пленку толщиной 5 электроны из металла переходят к кислороду, адсорбированному на внешней стороне пленки. Это перемещение объясняется туннельным переходом электрона через потенциальный барьер, которым является тонкий слой окисной пленки. В области металл - окисная пленка образуется р - п переход. Молекулы воды, попав на пленку, поляризуются полем р - п перехода. Небольшое количество молекул воды, создающее несколько мономолекулярных слоев на поверхности, приводит к увеличению толщины пленки и затруднению туннельного эффекта.

Дальнейшее увеличение количества молекул воды приводит к еще большому утолщению пленки и при 6>1-10"8лг наступает разрушение двойного электрического заряда. При этом сама окисная пленка за счет поляризации атомов воды частично разрушается и на поверхности металла остается только тонкий слой хемосорбционной пленки. Из работ Ю. М. Лужнова известно, что количество влаги на рельсе по-разному влияет на величину силы сцепления колеса с рельсом. При малом количестве влаги сцеп-

11

ление уменьшается (окисная пленка увеличивается). С увеличением количества влаги сцепление возрастает так, как окисная пленка уменьшается.

При отрицательных температурах молекулы воды превращаются в лед. При этом происходит увеличение объема пленки, за счет "сдвига" молекул окиси и образование на основе поляризованных молекул воды хемосорбционной связи металл - молекула льда. Данная связь носит направленный характер и поэтому значительна, однако, кристаллы льда очень хрупки и избавиться ото льда легче ударной нагрузкой, а не сдвиговым напряжением.

На основание изложенного, путем аппроксимации было получено соотношение, с помощью которого возможно определить разрушение пленки по отношению Лр величины поверхности разрушения плёнки Д5, к величине рассматриваемой поверхности 5о. Зависимость этого отношения от температуры Т°С, выраженной в градусах Цельсия, представим в виде:

и -10 / \ -А

———-(г-зоо).ю 4 +

2-Г-ЗОО 4 '

+_ 0,45(Г-300)_1 ,

5 • 10-5 (Г - 300)* +1 (Г6 (Г - 300)+1 _[

где /1=1,150.

Для устранения с поверхности рельса органических пленок, в практике железнодорожного транспорта используют кремневый песок. Частицы двуокиси кремния достаточно тверды и их линейные размеры составляют от 0,2 до 2мм. На поверхность загрязненного рельса при буксовании колес локомотива подается песок, тем самым кратковременно увеличивается зазор Л между колесом и рельсом, причем Л>0,1лш. Это означает, что удаление органики из зазора при наличии песка происходит при незначительном сдвиговом воздействии со стороны колеса локомотива. Удаление таким способом масляных пленок с поверхности рельса иногда приводит к созданию поверхностей по своим свойствам близким к ювениальным, что создает условия для образования большего числа захватов на контактной площадке и резкому изменению скорости скольжения колеса.

Др =10_1'5л(Г-300)°'3 хехр

С целью повышения коэффициента сцепления на загрязненных участках диссертантом были разработаны способ и устройство для удаления с поверхности рельса органических загрязнений с помощью ультразвука. Для этого на локомотив были уставлены ультразвуковой генератор мощностью на выходе 20кВт, частотой 18кГц и заправочная емкость с 20% водным раствором калиевой соды. В качестве излучателя был использован стандартный излучатель для указанной частоты УИ - 18, представляющий собой цилиндр высотой 150лш и диаметром основания, с которого происходит излучение, 12лш. Два излучателя с помощью горизонтальной консоли длиной порядка ЗООлш закреплялись к передней выступающей части локомотива с двух сторон параллельно рельсу на расстояние =10лш от него. Излучатель крепился к консоли через пружину. По гибким трубам подавалась вода к поверхности излучателя.

Включение генератора и подача жидкости на поверхность излучателя, приводили к возникновению кавитации (взрыва) в турбулентном слое жидкости между рельсом и излучателем с частотой генерируемого сигнала 18кГц. За одну миллисекунду в объеме между излучателем и поверхностью рельса возникало до 50 кавитаций, которые очищали поверхность рельса от загрязнений при движении локомотива со скоростью до 40 км/час.

Данное устройство, на которое были получены авторские свидетельства, было испытано на участке Рига -Даугавапилс и показало хорошие результаты.

При наличии песка на поверхности рельса, покрытого льдом, из-за неравномерной дисперсности песка на площади, занимаемой им на рельсе, появляется дополнительная переменная вертикальная составляющей силы, действующая со стороны колеса на рельс. В результате происходит растрескивание льда и очищение от него рельса.

Экспериментально известно, что очистка поверхности металлов от пленки может осуществляться приложением к ней нормальной нагрузки, не превышающий предел упругости. Поскольку вертикальное давление, передаваемое от колеса локомотива на рельс, превышает предел упругости рельсовой стали, то происходит самопроизвольная очистка (частичная) поверхности рельса при движении локомотива.

Таким образом, факторами, приводящими к разрушению окисных пленок на поверхности рельса с находящимися на них загрязнениями, являются высокое давление со стороны колеса, различие в объемных деформациях и коэффициентах теплового расширения, а также скольжение колеса по рельсу. Это означает, что на поверхности рельса в пятне контакта имеются условия для установления физического контакта между колесом и рельсом.

В третье главе рассмотрены принципы построения модели сцепления и скольжения колеса с рельсом.

Независимо от природы вещества силы, возникающие при сближении атомов, имеют общий характер: на большом расстоянии друг от друга появляются силы притяжения -Гпр, быстро увеличивающиеся с уменьшением расстояния между ними Рпр =\/гт. На малых расстояниях возникают силы отталкивания Г0Т =1 /г", которые с уменьшением расстояния увеличиваются значительно быстрее сил притяжения (т < п). На расстоянии г=г0 силы отталкивания уравновешивают силы притяжения и их результирующая сила обращается в нуль, расстояние г0 является межатомным расстоянием в кристалле. Потенциальная энергия частиц Щг) , обусловленная действием этих сил определяется как

(3)

На расстоянии г=г0, потенциальная энергия минимальна и равна и0, поэтому при этом расстоянии атомы в веществе находятся в состоянии устойчивого равновесия. Это означает, что частицы, если на них не действуют сторонние силы, выстраиваются в строгом порядке на расстоянии г0, образуя упорядоченную кристаллическую структуру. Внешнее воздействие может уменьшить расстояние между частицами. В этом случае, действие направлено на возвращение системы к положению равновесия.

Тангенциальное воздействие со стороны колеса на рельс приводит к уменьшению расстояния между атомами в рельсе. В результате появляется сила противодействующая силе со стороны колеса и стремящаяся вернуть атомы рельса в прежнее состояние.

Критическое тангенциальное напряжение определяется в соответствии с условием Мизеса:

Как видно из (4) пластическое течение в рельсе зависит от нормального давления со стороны колеса на рельс и наступает, как будет показано далее, при любом тангенциальном давлении со стороны колеса. Причиной появления тангенциального давления является сила тяги ,РК, обусловленная моментом вращения колеса, и, вызывающая касательное напряжение на контактной площадке. Если не учитывать сдвиг (пластическое течение), то это означает, что величина изменяет расстояние между атомами, что невозможно.

Предлагаемая физическая модель сцепления колеса с рельсом построена с учетом термодинамики взаимодействия двух стальных поверхностей и отсутствием на них шероховатости. Утверждение об отсутствии шероховатости на поверхности рельса основывается на следующем. Максимальное значение предела текучести рельсовой стали Р65 равно 700МПа, а максимальное давление со стороны колеса на рельс, указанное в трудах ВНИИЖТ, составляет 2,19ГПа. При таком соотношении давления на рельс и предела его текучести, с учетом скольжения колеса по рельсу, шероховатость на поверхности рельса можно не учитывать.

Физическая модель сцепления колеса с рельсом построена на следующих принципах:

- сцепление колеса с рельсом определяет микропроцесс, происходящий па контактной площадке, представляющий собой взаимодействие группы атомов колеса и рельса (захват), осуществляемый в результате образования активных центров на поверхностях колеса и рельса за счет действия на них нормального и тангенциального давления;

- окисная пленка, имеющаяся на поверхности рельса с нанесенными на пей загрязнениями, в процессе скольжения колеса по рельсу разрушается из-за нагрева и различий величин коэффициентов теплового и объёмного расширения рельса и окисла;

- величина силы сцепления определяется силой разрушения захватов, имеющихся в данный момент времени на контактной площадке.

В работе решена задача определения температуры поверхностных слоев рельса с учетом того, что процессы сцепления и скольжения являются термодинамически

15

неравновесными, охватывающими ограниченную область колеса и рельса (пятно контакта) и глубину прогревания, а также времени. В силу этого, параметры среды в ограниченной области меняются незначительно, и их можно считать постоянными. Поэтому применим интегральный подход (поверхность контакта колесо - рельс рассмотрим как одно целое) к определению температуры поверхности контакта колеса и рельса. Такой подход, в отличие от дифференциального, позволяет рассмотреть задачу определения температуры на поверхности контактной площадки при движении источника тепла со скоростью V. Найдем диссипативную часть работы А, затраченную на реализацию силы тяги, приложенной к колесу. Эта работа определяется вращающим моментом, действующим на колесо Л/Вр и углом поворота колеса при проскальзывании <рск:

Л=Мврфск~/\.тчрск. (5)

Теплота (), выделившаяся при этом на поверхности в зоне контакта колесо - рельс, равна:

<2=С/и АТ-Ср2Ь(м+уск) /СК5ЛГ, (6)

где ^ - сила тяги, приложенная к колесу, г - радиус колеса, 0=450 дж/кг-град - удельная теплоемкость стали рельса, р =7,7-10 кг/м - плотность стали рельса, Ь~5 ■ 10"3 м - поперечная полуось пятна контакта, V - скорость движения колеса, 'ск^фск/Уск - время скольжения, уск -скорость скольжения колеса, 6 - глубина поступления тепла в рельс за время 4=2аЛ> (а -продольная полуось пятна касания, равная 8мм), АТ=Т-Т0, (Т0=ЗООК-нормальное термодинамическое условие).

Процесс взаимодействия точек колеса локомотива и рельса на пятне контакта является адиабатическим, поскольку составляет миллисекунды. В связи с этим приравняем величины А=() и из полученного равенства найдем разность температур А Г, считая, что половина выделявшегося тепла перейдет в колесо:

АГ=РК уск /4СрЛ5(И^ск). (7)

Учитывая, что на поверхности рельса имеются окисные пленки с загрязнениями, являющиеся экраном для поступления тепла в рельс, это тепло поступает в рельс по "мостикам" между колесом и рельсом, возникающим в результате захватов. Толщины наклёпанного слоя, как следует из работ Б. Г. Лившица и С. И. Губкина не превышают 6(г<4-10)-Ю_3л/. В этом слое

16

существует значительный градиент напряжений, затрудняющий распространение тепла. Поэтому можем принять, что глубина распространения тепла за время экспозиции колеса, равное миллисекундам, не превышает бо^юЛи. После подстановки в выражение (7) исходных данных, имеем

Т = 2,2-^ Уск +300 К (8)

V + уск

На рис. 1 представлена зависимость температуры поверхности рельса Т от скорости скольжения и скорости движения V, при этом относительная скорость скольжения е изменяется в пределах от 0 до екр, при заданном значении ^=50 кН.

V, м/с

Рис. 1. Зависимость температуры поверхности рельса Тот скорости скольжения ус1с и скорости движения v колеса локомотива

Отметим, что при значении е близком к екр, температура поверхности рельса приближается к 1000Л". Приведенное значение температуры при екр близко к температуре рельса, измеренной экспериментально Л. В. Гойхманом, А. Л. Дроновым и Н. Д. Же-левым.

Глубина распространения тепла в рельс при температуре выше температуры Дебая (для стали -560К) увеличивается пропорционально температуре, в соответствии с законом Дюлонга-Пти.

При температуре близкой к 1000/<Г и выше, поверхность рельса очищена от загрязнений и происходит частичный отпуск поверхностного слоя, глубина прогревания не будет постоянной, выражение (9) примет следующий вид:

т =

22-Ю-5^- ^к+ЗООА-, при 0<8<8кр, 22-Ю-5 + 300Л-, прие>£кр

(9)

6р +ае

где а=0,25 • 10~2м. ; е ~ уск/у+уск:

На рис. 2 представлена одна из зависимостей семейства кривых Т=Де) в координатах температура поверхности рельса Т - относительная скорость скольжения е.

1000 800 600 400 200

к

/ —

/ —----- —-___

/

!

К„„ 0.05 0.1 0.15 0.2

Рис. 2. Зависимость температуры поверхности рельса Тот относительной скорости скольжения

Как видно из рис. 2, при е <£^р температура линейно нарастает в зависимости от 6. При е >екр температура в зоне контакта уменьшается за счет увеличения глубины распространения тепла в рельсе, что приводит к частичному процессу рекристаллизации наклёпанного поверхностного слоя.

Как будет показано далее, при движении локомотива условие Мизеса выполняется, т. е. происходит пластическая деформация в пятне контакта. Это означает, что при движении локомотива со стороны колеса на рельс действует сила тяги Гк, обусловленная его вращательным моментом, вызывающая движение дислокаций в поверхностных слоях рельса.

В силу консервативности силового поля в объеме и на поверхности материала рельса движение дислокаций происходит под действием силы и силы давления со стороны колеса П за счет увеличения потенциальной энергии кристаллической решетки А Е„.

Прохождение дислокации в материале и выход её на поверхность эквивалентен сдвигу в кристаллической структуре ма-

териала рельса на величину её постоянной А г ~10"13м. Тогда А.ЕП равна:

(10)

о

В пределах постоянной решетки А г сила Рк постоянна. Примем её равной наибольшей величине ^к6=50кЯ. Тогда наибольшее увеличение потенциальной энергии решётки составит АЕцб =FKб А г ~5 • 10 ~9Дж.

Энергия от выхода на поверхность одной дислокации составляет А£^=8э5=1,3-10"18Дз/с. Тогда число дислокаций, вышедших на поверхность за счет действия силы Т7^ со стороны колеса, равно:

ДР

„д= ^>=3,8-109. (11)

АЕ;

Концентрация дислокаций при постоянном тангенциальном давлении определяется, как

пл

^д=ТГ 02)

¿0

^о=7Га6 где а и Ь - длины полуосей эллипса пятна контакта: а=6- 10"3л(, 6=8 10~3л<; ^о - площадь пятна контакта: 1,5-10~4лЛ После подстановки этих величин в выражение (12) получим:

Лгд*=2,5 -10,3л»"2. (13)

Концентрацию дислокаций в случае изменения тангенциального давления представим в виде:

ЛГд=2,5-Ю"Р-к(У£). (14)

В данном выражении зависимость может быть тяго-

вой характеристикой асинхронного или синхронного тягового электродвигателя переменного тока, а также коллекторного тягового электродвигателя постоянного тока с последовательной или независимой системами возбуждения.

Закон движения дислокаций в общем случае зависит от числа различных типов несовершенств кристаллической структуры. В нашем случае рассматривается динамика движения дислокации в материале с наклепом, который характерен для поверхностных слоев рельса. В этом случае инерционной составляющей, которая определяет закон движения дислокации, а следовательно и концентрацию дислокаций на поверхности, будет внутреннее напря-

19

жение в материале (авн), обусловленное наклепом, достигающее величины авн~10 -10 Па. С учетом процесса движения дислокаций уточним выражение для концентрации дислокаций на поверхности пятна контакта, введя в (14) дополнительный множитель, учитывающий данное явление:

>,0,25

(15)

где 5о — площадь пятна контакта.

Допустим, что скорость деформации рельса равна скорости движения локомотива v. Увеличение v приводит к появлению дополнительного числа дислокаций на поверхности, что объясняется возрастанием скорости генерации дислокаций в "источнике Франка и Рида".

Увеличение числа дислокаций в зависимости от скорости пластической деформации определяется коэффициентом р.. Эта зависимость носит параболический характер со слабо выраженным максимумом при удц«100м/с. Подобная скорость деформирования металла наблюдается при сварке ультразвуком.

7-10-2 V +0,022у2-0,48-10-4У3

^-от;-• (16)

С учетом этого, окончательное выражение для концентрации дислокаций на поверхности примет вид:

= 2,5-10^

Г т-» / \ \0»25

I

* • (17)

На основе выражения (2) в диссертации получена зависимость коэффициента разрушения пленки (Лр=Д5/50, от относительной скорости скольжения е.

Лр(е)=«(£)°'3ехр( -^--10Е+ 2°'45е ). (18)

2,2 • 10 е 5е +0,1е + 1

Отличительной особенностью характеристики сцепления колеса с рельсом является рост силы сцепления с увеличением скольжения колеса по рельсу, что свойственно только металлическим колесу и рельсу. Причиной этого является трансляционное пластическое течение кристаллической структуры рельса, возникающее за счет "схлопывания" дислокаций

В связи с тем, что система колесо - рельс является замкнутой, разрушение захватов приводит к возникновению силы сцеп-

20

ления, и одновременно действует на поверхность рельса в направлении, противоположном движению, вызывая сдвиг атомных слоев вблизи поверхности рельса.

Принципы построения модели скольжения колеса по рельсу:

- скольжение колеса по рельсу в режиме тяги происходит за счет трансляционного пластического течения поверхностных слоев материала рельса,

- пластическое течение (сдвиг) поверхностных слоев происходит под действием тангенциального давления, со стороны колеса, величина которого определяет скорость скольжения колеса по рельсу,

- величина тангенциального давления численно пропорциональна силе разрушения захватов, действующей на активную поверхность контактной площадки.

В соответствии с этими принципами выразим величину скорости скольжения колеса локомотива по рельсу в виде

v = (19)

Д/

где ДАТ - суммарная величина трансляционного пластического течения на поверхности рельса, наступающего в результате действия тангенциальной силы, превышающей критическое значение тангенциального давления ткр, определяемое из условия Мизе-са;(4),

Ai - время экспозиции колеса на пятне контакта, которое в соответствие с пояснениями к(13) равно

Величина ДАТ определяется количеством дислокаций, вышедших на поверхность рельса яд, а также сдвигом в структуре материала рельса на величину её постоянной атомной решетки Аг

-10 V

АХ =па\г.

С учётом (19) и (20) величину скорости относительного скольжения можно определить как:

E = ^K=n^Ar = N2aAr. (21)

Таким образом, сформулированы основные принципы построения физической модели сцепления, в основу которого по-

21

ложен процесс разрушения "захватов", и процесса скольжения колеса по рельсу на основе трансляционного пластического течения материала колеса и рельса на контактной площадке.

Четвертая глава содержит результаты расчета и проверку адекватности предложенной модели сцепления и скольжения.

На рис. 3 представлена зависимость относительной скорости скольжения колеса локомотива от величины силы тяги и скорости движения (кривые 1 и 2), и "следы" этих кривых Ги 2'; Г'и 2"; Г"и 2"'в координатах [^к;у], [е;у] и [е;^].

Рис. 3. Зависимость относительной скорости скольжения колеса локомотива от величины силы тяги и скорости движения (кривые 1 и 2); в координатах [Рк;у], ^у] и - кривые 1'и 2'; Г'и 2"; 1"'и 2"'; для локомотив с последователь-

ным 1 и независимым 2 возбуждением ТЭД

У локомотива с последовательным возбуждением ТЭД при увеличении силы тяги от 104 Н до 8,1 • 104Н значительно меняется величина относительной скорости скольжения от 0,014 до 0,029. При этом рост е сопровождается уменьшением суммарной скорости, т. е. увеличивается скорость скольжения (рис. 3, кривая 1 и

соотносительная скорость скольжения у локомотива с независимым возбуждением практически не зависит от силы тяги (рис. 3, кривая 2 и 2"'). Кроме того, при уменьшении суммарной скорости и увеличении силы тяги величина е увеличивается с 0,019 до 0,022, это означает, что скорость скольжения увеличивается на малую величину. Анализ полученной кривой свидетельствует о практически постоянной скорости движения локомотива с независимой системой возбуждения ТЭД при увеличении силы тяги.

В соответствии с принципами построения модели выразим силу сцепления в виде:

ТУ, /У3ЛГ„

^сц = = (22)

у=1 у=1/=1

Здесь у - число пятен захвата на контактной площадке, I -число взаимодействий между атомами колеса и рельса в одном пятне захвата, ¥} - суммарная сила взаимодействия в одном захвате, ТУз — число захватов, ЛГВ — число взаимодействий между атомами колеса и рельса в одном захвате, - сила взаимодействия между двумя атомами колеса и рельса:

^'а'а

Здесь и0 - энергия связи одного моля в металле (и0= 2,5-104 Дж/моль), А^ - число Авагадро (N.,=6,02■ 1023,иоль"'), гя -расстояние между взаимодействующими атомами примем равной диаметру первой Боровской орбиты (га~2,3- 1(Г10м).

Примем, что число пятен захвата определяется концентрацией дислокаций на поверхности N,¡(FK), тогда

N1 N3

Е X 'О/ -ЩГ,,)^ (24)

у=и=1 .

где .Р) — сила взаимодействия в одном захвате Fj =

Цр *^*иск

Здесь, 5ИСК - площадь «активного центра» на поверхности рельса в результате выхода одной дислокаций (радиусом г11СК ~ зю\ ). Я,- - площадь взаимодействия /-того атома в /-том захвате (радиусом го=310"!°м). '

Сведем полученные соотношения (17) и (18) в единое уравнение решение которого позволяет определить коэффициент Г

сцепления 1|/сц = , здесь Л-вертикальная нагрузка, передаваемая от колеса на рельс:

^^^о^р^)0,25 (25) '

ЛЯага Я. ТГ

где Лр(е) - определяется выражением (18).

Уравнение (25) позволяет построить поверхности сцепления в зависимости от скоростей движения и скольжения для двигателей с различными системами возбуждения (рис.4), поскольку выражение, определяющее концентрацию дислокации в пятне контакта Л^, входящее в выражение (25), является функцией тяговой характеристики электродвигателя.

Усц

Рис. 4. Зависимость коэффициента сцепления от скорости скольжения колеса по рельсу и скорости движения локомотива: поверхность 1—для двигателя локомотива с последовательным возбуждением; поверхность 2 - для двигателя локомотива с независимым

возбуждением

При этом поверхность (1) для тягового электродвигателя (ТЭД) последовательного возбуждения лежит ниже, чем аналогичная поверхность (2) для локомотива с ТЭД независимого возбуждения. Кроме того, поверхность (2) слабо зависит от скоростей движения -.и скольжения, что соответствует эксплуатационным испытаниям, содержит практически два максимума.. Это свидетельствует о высоких противобуксовочных -свойствах локомотивов с тяговыми электродвигателями независимого возбуждения, что. также подтверждается практикой эксплуатации таких локомотивов.

Отличие поверхностей коэффициента сцепления для двигателей с независимым и последовательным возбуждением, объясняется различием кривым для этих двигателей.

Рассмотрим поверхность ц/сц= /(у,уск), представленную на рис. 4, в начале как совокупность кривых в плоскости [м/сц;V], а затем в плоскости [ч/сц;уск]. Анализ зависимостей коэффициента сцепления от скорости движения колеса при разных постоянных значениях его скорости скольжения показывает следующее: максимальный коэффициент сцепления уменьшается с увеличением скорости движения колеса, что соответствует общепринятым представлениям. Вместе с тем, при больших значениях скорости скольжения колеса падение коэффициента сцепления замедляется с ростом скорости движения.

Зависимости Н'сц=1Луск)]у=ч:оп81 свидетельствуют о том, что скорость движения колеса оказывает решающее влияние на процесс его сцепления с рельсом. При малых значениях V вид этих кривых отличается резким снижением \|/сц после превышения величины скорости скольжения критического значения . С увеличением скорости движения колеса максимум коэффициента

сцепления уменьшается, и величина возрастает. Причем с увеличением скорости движения колеса максимум этих зависимостей менее выражен.

На рис.5 представлены характеристики сцепления - зависимости коэффициента сцепления от относительной скорости скольжения: по экспериментальным данным Ф. Барвела - кривая (1); по результатам расчетов: при последовательным возбуждении ТЭД - пунктирная кривая 2; при независимом возбуждении ТЭД - кривая 3.

Рис. 5. Зависимость коэффициента сцепления от относительной скорости скольжения: по экспериментальным данным Ф. Барвела — кривая (1) ; по результатам расчетов: при последовательным возбуждении ТЭД - пунктирная кривая 2; при независимом возбуждении ТЭД —

кривая 3 25

При этом кривые 2 и 3 были получены путём перестроения соответствующих поверхностей 1 и 2 в зависимость 1|/си(£). Сравнение расчетной характеристик сцепления (кривая 2) с экспериментальной характеристикой (кривая 1) показывает, что коэффициенты сцепления при £кр на рассматриваемых кривых практически совпадают, а на восходящей и падающей ветви характеристики несколько отличаются.

Этот факт можно объяснить двумя причинами. Первая -экспериментальные кривые построены по усредненным замеренным значениям. В ходе экспериментов величина относительной скорости скольжения может оставаться постоянной, при различных значениях скоростей скольжения и движения колеса. Но, как видно из рис. 4, различным скоростям скольжения и движения соответствуют разные значения коэффициентов сцепления. Однако при усреднении значений коэффициентов сцепления этот факт не учитывался.

Вторая причина отличия кривых состоит в том, что изменение значений концентраций дислокаций в поверхностных слоях рельса, вызванные скоростью деформации рельса можно достаточно точно определить, но исходную концентрацию дислокаций можно только оценить.

Как видно из рисунка 5, в целом наблюдается удовлетворительная сходимость представленных на нём расчётной и экспериментальной характеристик сцепления. При сопоставлении кривых 2 и 3 на рис. 5 видно, что при срыве сцепления у локомотива с независимым возбуждением буксование колес значительнее, чем у локомотива с последовательным возбуждением ТЭД. Это факт объясняется видом характеристики ТЭД с независимым возбуждением и также известен из практики эксплуатации локомотивов.

Решение уравнения (25) позволяют найти зависимости максимальных значений коэффициента сцепления ц/бсц от скорости движения локомотива, которые сравнивались с эмпирическими, приведенными в правилах производства тяговых расчётов (ПТР)' для трех групп электровозов: 1) ВЛ10, ВЛ11, ВЛ82, ВЛ82М; 2) ВЛ22, ВЛ23, ВЛ8, 3) ВЛ60, ВЛ60Р, ВЛ80К, ВЛ80Т, ВЛ80Р, ВЛ80°, представленных на рис.6.

4*6«

V? км/ч

Рис. 6. Нормированные кривые сцепления, полученные экспериментально - сплошные линии, расчетная - пунктирная линия, для трех групп электровозов

Для этого по данным ПТР и по результатам расчета были построены нормированные кривые сцепления У|/НбСЦ (рис.6), для указанных трех групп электровозов.

^бСЦ Ч>бсц(о) ' где ч/6сц(0) - значение коэффициента сцепления при скорости

движения равной нулю. Анализ рисунка свидетельствует о том, что эмпирические и теоретические нормированные кривые \|/нбсц имеют удовлетворительную сходимость. При малых скоростях движения значения »|/"6сц мало отличаются для всех групп электровозов. С увеличением скорости движения расхождение возрастает, наибольшее отклонение эмпирических и теоретических нормированных кривых наблюдается для электровозов постоянного тока первой группы. По-видимому, это объясняется высокими погрешностями измерений в экспериментах этой группы, выполнявшихся в 1950-60 г.г.

В целом зависимости, приведенные на рис. 3-^6 свидетельствуют о корректности предложенной модели процесса взаимодействия колеса и рельса.

Примем, что предложенная в данной работе модель определяет так называемый потенциальный коэффициент

сцепления и

не учитывает трибологического состояния поверхностей бандажа и рельсов. Введем дополнительный трибологический множитель

Усц и будем считать, что реализуемый в процессе эксплуатации

коэффициент сцепления определяется как:

27

В общем случае коэффициент Усгц представляет собой зависимость от атмосферного давления, влажности, температуры, наличия загрязнений на поверхности катания рельсов и бандажей, тепловой энергии, выделяющейся в процессе взаимодействия колеса и рельса и т. п. Определение такой зависимости представляет отдельную задачу, которую следует решать с использованием основных положений триботехники, в рамках настоящей работы ограничимся рассмотрением трёх вариантов состояния поверхностей катания рельсов и бандажей:

1. Нормальное не загрязненное состояние поверхностей

=1 2. Режим "наезда" на масляное пятно на поверхности рельса vJц=0,5. 3. "Посыпка песка" для восстановления сцепления Усц=1,3. Эти значения трибологического множителя будем использовать ниже для решения задач по срыву и восстановлению сцепления.

На рис. 7 представлена кинематическая схема двухосной динамической модели системы экипаж-путь (вид сбоку.)

Рис. 7. Кинематическая схема двухосной динамической модели системы экипаж-путь(вид сбоку)

Для исследования процесса реализации сцепления колеса локомотива с рельсом была применена разработанная модель сцепления. Расчеты были выполнены на базе программного пакета Ма11аЬ с использованием подсистемы ЗитшПпк. При расчетах использовалась модель, учитывающая вертикальные колебания, (подпрыгивание, галлопирование, боковая качка) тележки электровоза с осевой схемой 20-20, а также крутильные колебания в её тяговой передаче.

В качестве независимых обобщенных координат для описания колебаний в системе, представленной на рис.7, были выбраны следующие угловые и линейные координаты:

Фукл1> Фукл2' Фяспр1' Фукпр2'Ф>-д1 - <?уЯ2 'Ф>т'Ф

где Фукль фукпрь - углы поворота левого и правого колеса первой колесной пары; ф^кпр2, - углы поворота левого и

правого колеса второй колесной пары; <рЯ1, <ря2, - углы поворота якорей первого и второго тягового двигателя; (р,.дЬ фуд2 - поворот первого и второго тягового двигателей относительно оси колесной пары (галопирование тягового двигателя); гт - перемещение тележки вдоль оси г (подпрыгивание тележки); ф^ - поворот тележки относительно оси у (галопирование тележки); - поворот тележки относительно оси д: (боковая качка тележки);

На основе формулы Лагранжа были найдены выражения для приведенных моментов инерции колес локомотива, двигателей и их якорей относительно выбранных обобщенных координат, а также обобщенные силы инерции, действующие на тележку. Дифференциальные уравнения составлены на основе принципа Даламбера для выбранных обобщенных координат. Их анализ показал, что уравнения крутильных колебаний в тяговой передаче являются инерционно связанными, кроме того в результате выбора обобщенных координат все координаты, описывающие линейные перемещения элементов колесно-моторных блоков, являются циклическими.

В пятой главе приведены результаты расчетов, позволяющие изучить реализацию сцепления локомотива с последовательной и независимой системой возбуждения при его движении в режиме тяги, а также при срыве сцепления.

Рассмотрим представленные рассчитанные зависимости от времени тока якоря ТЭД, величины силы сцепления, относитель-

ной скорости скольжения и величины моментов сил сцепления и тяги для последовательной и независимой системы возбуждения ТЭД электровоза при реализации и срыве сцепления., представленные на рис. 8 а и б, соответственно

Рис. 8. Временные зависимости при пробуксовки локомотива соответственно для последовательного (в, в, д, ж) и независимого возбуждения двигателя (б. г, е, з): а и б -ток двигателя, ток якоря и возбуждения двигателя, в и г - относительные скорости скольжения, д и е -силы сцепления, ж и з - электрического момента и момента сцепления

При изучении реализации сцепления были выбраны величины тока якоря ТЭД с различными системами возбуждения, которые приводят к появлению пробуксовки колес локомотивов с последующим восстановлением. Расчеты этих процессов для двигателя с последовательной системой возбуждения были выполнены

для широко распространенного электровоза ВЛ-80С, масса поезда была принята равной 5000т.

Величина максимального тока ТЭД последовательного возбуждения, при которой начинается пробуксовка составляет 1150Л, что соответствует силе тяги 35,5кН (рис.8, а, и д). При превышении силы тяги силы сцепления происходит срыв сцепления, при этом скорость скольжения начинает резко возрастать (рис. 8, в), достигая значения 0,05. За счет роста в, величина силы тяги начинает уменьшаться. В момент времени 2,2с, наступает равенство силы тяги и силы сцепления (рис. 8, ж), при этом относительная скорость скольжения достигает максимума е=0,049. В дальнейшем величина е уменьшается, восстанавливается сцепление и происходит незначительное увеличение силы тяги (рис. 8, д и ж), при этом срыва сцепления не происходит.

В отличии от этого, пробуксовка локомотива с ТЭД независимого возбуждения происходит при токе якоря 1220А (рис.8, б), что соответствует силе тяги 39,5кН (рис. 8, з). Таким образом, электровоз с ТЭД независимого возбуждения без пробуксовки реализует силу тяги на 12,7% выше, чем электровоз с ТЭД последовательного возбуждения. В целом процесс реализации сцепления локомотива с независимым возбуждением ТЭД при пробуксовке происходит несколько иначе. Ток якоря электродвигателя снижается с 1220А до 200А, т. е. в шесть раз. Это вызвано тем, что при срыве сцепления е достигает величины ~ 0,19 (рис. 8. г), что и является причиной резкого уменьшения тока якоря. В то же время у локомотива с последовательным возбуждением ТЭД £щах 0,05.

Снизить изменение тока якоря можно, используя защиту от буксования, которая при срыве сцепления уменьшает ток возбуждения и, следовательно, магнитный поток, стабилизируя тем самым величину э. д. с, ответственную за увеличение тока якоря. Таким образом, не смотря на "глубокое" буксование, сцепление на электровозе с независимым возбуждением ТЭД восстанавливается.

Наблюдаемое утолщение линий на рис. 8, в, г, д, е, ж, з свидетельствует о возникновении высокочастотных циклов крутильных автоколебаний колеса электровоза причиной которых, как будет сказано ниже, является неравновесное состояние поверхности рельса в пятне контакта, из-за высокой температуры, при-

31

ведшей к частичной потере поверхностными слоями рельса сопротивления сдвигу. Частоты этих автоколебаний составляют 6(Н70Гц, что хорошо согласуется с результатами, полученными другими авторами.

Причина, позволяющая после глубокого буксования восстановить сцепление электровоза с независимой системой возбуждения ТЭД, следующая. Значительная скорость скольжения колеса локомотива по рельсу приводит к прогреву поверхности рельса на контактной площадке, что способствует интенсивному разрушению окисной пленки с загрязнениями и удалению их на периферию пятна контакта. В результате создаются условия для осуществления захватов на всей поверхности контактной площадке, восстановлению сцепления колеса электровоза с рельсом при уменьшении силы тяги.

На основе расчетных зависимостей .Гси(/) и е(7) были построены фазовые портреты (рис. 9. а и б).

Ш4 ' " 0.0+5 0.046 0.047 0.048 Б

Рис.9. Зависимости величины силы сцепления от относительной скорости скольжения для электровозов с последовательным возбуждением — а и с независимым возбуждением - б

Малая амплитуда высокочастотных автоколебаний на фазовых траекториях ^сц(е) для электровоза с последовательным возбуждением (рис. 9, а) и большая амплитуда на таких же фазовых траекториях для электровоза с независимым возбуждением (рис.9, б) свидетельствует о значительной нестабильности поверхности рельса в последнем случае.

Это вызвано тем, что глубокое буксование локомотива с независимым возбуждением (рис.8, ё) приводит поверхность материала рельса, находящуюся в контакте с колесом, в метастабиль-ное состояние, при котором отсутствует сопротивление сдвигу. При уменьшении скольжения колеса происходит уменьшение температуры поверхности рельса и переход её из метастабильно-го в стабильное состояние. Этому переходу соответствует неравновесное состояние поверхности рельса, при котором её отдельные точки одновременно находятся в разных термодинамических состояниях.

Для более глубокого анализа процесса реализации сцепления электровоза с различными системами возбуждения ТЭД рассмотрим временные зависимости тока двигателя локомотива, относительной скорости скольжения колеса по рельсу (е), силы сцепления правого ^1(Пр и левого колеса ^СЦЛВ1 а также суммарной силы сцепления колесной пары и силы тяги Рк при наезде левом колесом на масляное пятно на поверхности рельса. Моделирование такого "наезда" выполнено уменьшением на 50% действующей силы сцепления левого колеса в интервале времени 2с-^6с (рис. 10).

Такое уменьшение действующей сцепления соответствует тому, что реализуемый коэффициент сцепления уменьшается на

величину трибологического множителя :

где Устц =0,5

Рис. 10. Временные зависимости при "наезде" левым колесом локомотива на масляное пятно в интервале 2 - 6с соответственно для последовательного (а, в, д, ж) и независимого возбуждения двигателя (б. г, е, з): а и б -токи двигателя, якоря и возбуждения, в и г — относительные скорости скольжения, дне- силы сцепления правого и левого колеса; ж из — силы тяги и суммарной силы сцепления под обоими колесами оси

.При наезде левым колесом на масляное пятно у электровоза с последовательной системой возбуждения ТЭД со второй секунды наступает буксование обоих колес (рис. 10, ж). Величина е, начиная с этого момента времени, монотонно увеличивается, ток якоря к восьмой секунде уменьшается до 500Л (рис.10, а, в). Суммарная сила сцепления колесной пары меньше силы тяги, причем их максимальное различие наступает к 6с. В момент времени 6с происходит восстановление условий для сцепления, однако процесс буксования не прекращается Сила тяги остается больше суммарной силы сцепления

(рис. 10, ж). Это означает, что наличие масляного пятна на поверхности рельса приводит к глубокому буксованию без восстановления сцепления локомотива с последовательной системой возбуждения.

При "наезде" на масляное пятно электровоза с независимой системой возбуждения ТЭД на 6с происходит восстановление сцепления рис.10, е, г, з.

На рис. 11 а и б представлены зависимости б от времени буксования локомотива с последовательной системой возбуждения при наезде левым колесом на масляное пятно в интервале 2с - 6с при 2с</ <2,08с и 5,98с<* <6,08с, соответственно.

Рис. 11 а и б. Временные зависимости с при буксования локомотива с последовательной системой возбуждения при наезде левым колесом на масляное пятно в интервале 2с - 6с при а) 2с<* <2,08с б) 5,98с<* <6,08с, соответственно. Для левого колеса - 1; для правого колеса - 2.

Как видно из этих рисунков, в рассматриваемые моменты времени возникают затухающие крутильные колебания правого и левого колеса частотой ~ 60Гц. Причем колебания правого колеса отстают по фазе на л. Полученные значения частот колебаний 60 70 гц соответствуют раннее полученным результатам.

На рис. 12 графически представлен процесс "наезда" левым колесом локомотива на масляное пятно в интервале 2-|-4,5с и подачи песка под левое колесо локомотива последовательного возбуждения.

г

К, А

Рис. 12. Временные зависимости при "наезде" левым колесом локомотива на масляное пятно в интервале 2-^-4,5с и подачи песка под левое колесо локомотива последовательного возбуждения: а -ток двигателя, б— относительная скорости скольжения, в- сила сцепления правого и левого колеса; г- сила тяги и суммарной силы сцепления под обоими колесами оси Из практики эксплуатации локомотивов с последовательной системой возбуждения известно, что при наезде на масляное пятно для восстановления сцепления подают песок под буксующее колесо. Представим модель данного процесса при следующих условиях: в интервал времени со 2с по 4,5с левое колесо локомотива наезжает на масляное пятно; после 4,5с сцепление восстановлено до исходного уровня; на 6с импульсно со скважностью 0,1с четырехкратно подают песок под оба колеса. Подача песка моделируется путем увеличения силы сц'епления в 1,3 раза по сравнению с силой сцепления исходного уровня.

36

При наезде на масляное пятно начинается процесс буксования; величина тока якоря уменьшается с 850Л до 720Л; е увеличивается на порядок; сила сцепления к 4,5с под левым колесом уменьшается на 50%, под правым - на 30%; в данный отрезок времени сила тяги превышает силу сцепления колесной пары (рис. 12, а, б, в, г). Восстановления сцепления после 4,5с до исходного уровня не вызывает прекращения буксования, так как е продолжает возрастать, хотя и медленнее, и сила продолжает уменьшаться.

На шестой секунде происходит импульсная подача песка под колесо. В результате этого, ток якоря монотонно увеличивается; е снижается и к девятой секунде относительная скорость скольжения равна первоначальной; сила сцепления под правым и левым колесом равны и возрастают до максимума (27,5кН); сила тяги после прекращения подачи песка меньше суммарной силы сцепления, затем увеличивается до первоначального уровня (рис. 12, а, б, в и г).

Приведенные результаты полностью соответствуют опыту эксплуатации локомотивов и свидетельствуют о том, что после подачи песка происходит процесс восстановления сцепления до первоначального уровня.

Таким образом, электровоз с независимым возбуждением ТЭД обладает устойчивостью к процессу буксования. Тогда как, локомотиву с последовательным возбуждением ТЭД для восстановления сцепления при буксовании необходима подача песка.

В работе так же было выполнено моделирование процессов срыва и восстановления сцепления для электровоза ВЛ-10, оборудованного системой шунтирования якоря тягового двигателя по схеме Г. В. Самме (рис. 13).

Рис. 13. Схема шунтирования обмоток якоря тяго-

вого электродвигателя

На рис. 14 а и б представлены экспериментальная осциллограмма (по данным Г В. Самме) и расчетные временные зависимости и расчетные временные зависимости тока якоря /я , тока возбуждения /в и тока шунта /ш для всех четырех осей. При этом шунтирующие сопротивления были включены, а буксование возникло в результате «наезда» на масляное пятно и естественного перехода на характеристику сцепления, соответствующую загрязнённому рельсу.

Рис.14. Экспериментальная осциллограмма (по данным Г В. Самме) допустимого процесса буксования (й) и расчетные зависимости от времени (б) величин токов возбуждения, якоря и шунта для второй оси - кривые 1, 2 и 3 соответственно

Скорость скольжения колеса локомотива при буксовании находилась в пределах 7 ^30юи/ч, а выдержка по времени после сброса позиций контроллера машинистом локомотива составляла 1-Зс.

При отсутствии буксования ток первого и второго якоря ТЭД, одинаковы /я1=/я2=/я. так же как и токи шунтов /Ц11=/ш2=/ш. Величина тока якоря равна разности тока возбуждения и тока

38

шунта /„=/„- /ш. При буксовании колёс одной из осей или обоих, равновесие схемы нарушается, за счет э. д. с. буксующих двигателей. Выдержка по времени после сброса позиций контроллера машинистом локомотива составляла 1-КЗс.

На рис. 14, а приведена осциллограмма процесса буксования который сопровождается уменьшением тока возбуждения (тока якоря) ТЭД. Как видно из этого рисунка, буксование начинается при /=Ъс, заканчивается при *= 8с резким уменьшением /в и /„ в результате сброса позиций контроллера машинистом локомотива. Последующее за этим незначительное возрастание /в при Р= 8+9с означает прекращение буксования и восстановление сцепления колес локомотива с рельсом без изменения положения контроллера. Затем машинистом были сброшены ещё три позиции, после чего был начат набор позиций, не приводящий к буксованию колес.

Сопоставление экспериментальной осциллограммы буксования (рис.14, а) и расчетной зависимости токов возбуждения, якоря и шунта (рис.14, о) при кратковременном буксовании свидетельствует об их адекватности.

На рис. 15 представлена зависимость величины силы сцепления колес первой, второй, третьей оси и четвертой оси локомотива от времени, кривые 1, 2, 3 и 4 соответственно.

Рис. 15. Зависимость величины силы сцепления колес первой, второй, третьей оси и четвертой оси локомотива от времени, кривые 1,2,3 и 4, соответственно

Как видно из этого рисунка величина силы сцепления у различных колесных осей локомотива несколько отличаются. Это связано с различием величин токов шунта разных ТЭД, которое объясняется различием э. д. с. буксующих двигателей.

Из полученных зависимостей (рис.14, б и 15) видно, что с десятой секунды начинается буксование колеса локомотива, которое прерывается в конце тринадцатой секунды за счет сброса

39

позиций, резкого уменьшения токов возбуждения и якоря ТЭД локомотива. С этого момента времени происходит уменьшение скольжения и начало восстановления сцепления колеса с рельсом. Начиная с семнадцатой секунды, происходит полное восстановление сцепления, последовательно во времени у колес первой, второй, третьей и четвертой осей локомотива (рис. 15).

На рис. 16 представлена зависимость относительной скорости скольжения колес первой, второй, третьей оси и четвертой

оси локомотива от времени, кривые 1,2, 3 и 4, соответственно. £

вой, второй, третьей оси и четвертой оси локомотива от времени, кривые 1,2,3 и 4, соответственно

С момента срыва сцепления на десятой секунде относительная скорость скольжения колеса по рельсу е к моменту сброса позиций машинистом достигает 0,6-^0,7 в зависимости от номера оси локомотива. Такое значение относительной скорости скольжения означает "глубокое" буксование, что достигается благодаря шунтированию обмоток якоря. По-видимому, максимальное значение относительной скорости скольжения равное 0,6-Ю,7 является оптимальным для восстановления сцепления после кратковременного буксования.

На рис. 17 показаны зависимости величины тока якоря первого, второго, третьего и четвертого ТЭД локомотива от времени, кривые 1,2, 3 и 4, соответственно.

Рис. 17. Зависимости величин тока якоря первого, второго, третьего и четвертого ТЭД локомотива от времени, кривые 1,2,3 и 4, соответственно

Как. видно из этого рисунка, увеличение токов /я приводит к увеличению силы сцепления и тангенциальной составляющей силы, действующей со стороны колеса на рельс, в результате увеличивается концентрации дислокаций в пятне контакта и число захватов, что является причиной увеличения силы сцепления колеса с рельсом без проскальзывания.

На рис. 18, приведены токи шунта для разных якорей.

Рис. 18. Зависимость величины тока шунта якоря первого, второго, третьего и четвертого ТЭД локомотива от времени, кривые 1,2,3 и 4,

соответственно.

Изменение величины тока шунта третьего и четвертого якоря меньше, чем у других якорей и практически равны. Различие токов шунта и якорей приводит к тому, что отсутствует равенство в изменении токов /в и /я при буксовании. Большее изменение тока шунта приводит к большему изменению токов /„ и /в. В

/ш. л

2

3,4

результате этого на всех приведенных рисунках наблюдается отличие, связанное с номером оси.

Как видно из рис. 14, б, шунтирование обмоток якоря ТЭД с последовательным возбуждением делает его тяговую характеристику более «жесткой». В результате при буксовании колесной пары ток возбуждения изменяется значительно меньше, чем ток якоря.

Удовлетворительная сходимость расчетных кривых и экспериментальной осциллограммы (рис. 14, а), полученной Г. В. Самме, дополнительно свидетельствует о корректности модели сцепления колеса рельсом, рассмотренной в работе, и об адекватности объяснений с её помощью известных экспериментальных явлений.

Полученные в данной главе результаты дают наглядное представление об электромагнитных и электромеханических процессах, протекающие как в силовой части локомотива с различными системами возбуждения, так и непосредственно в пятне контакта колеса с рельсом, что свидетельствует об адекватности модели сцепления колеса с рельсом, представленной в работе, процессам, рассмотренным выше.

Основные результаты и выводы

1. Основными факторами, определяющими величину сцепления, являются:

- тангенциальное давление на рельс со стороны колеса (сила тяги);

- концентрация дислокаций на контактной площадке;

- скорость скольжения колеса и скорость движения локомотива;

- нормальное давление со стороны колеса на рельс.

2. Существующее нормальное давление на рельс со стороны колеса локомотива создает условие, при котором любое тангенциальное давление, вызванное приложением вращающего момента или силы тяги, приводит к пластической деформации в рельсе.

3. Скольжение колеса локомотива по рельсу является результатом пластического течения поверхностных слоев рельса и определяется силой тяги и скоростью движения локомотива.

4. Для определения температуры поверхности контакта колеса и рельса выбран способ, при котором работа диссипативных

42

сил сцепления приравнивается к теплоте, выделяющейся в этом контакте. Температура поверхности рельса при критическом значении относительной скорости скольжения не превышает 1000К.

5. Причиной неустойчивости в процессе скольжения колеса локомотива по рельсу, приводящей к срыву сцепления колеса с рельсом, является метастабильное состояние наклепанного слоя поверхности рельса. Это состояние определяется температурой поверхности рельса достигающей 100(Ж

6. Удовлетворительная сходимость расчетных и экспериментальных зависимостей силы сцепления от скоростей движения и относительной скорости скольжения локомотива с последовательной и независимой системой возбуждения ТЭД свидетельствует об адекватности предложенной модели сцепления колеса рельсом.

7. Предложенная в работе модель сцепления колеса локомотива с рельсом совместно с моделью вертикальных колебаний тележки локомотива и крутильных колебаний в его тяговой передаче позволяет выполнять исследования тяговых и сцепных свойств локомотивов с различными типами тяговых электродвигателей на стадии их проектирования.

8. Расчетным путем показано, что тяговая характеристика локомотива определяет устойчивость электровоза к буксованию. Электровозы с независимым возбуждением ТЭД обладают способностью к самовосстановлению сцепления после буксования при токе якоря, превышающем на 10% предельный ток по сцеплению.

9. Процессу срыва и восстановлению сцепления предшествует появление высокочастотных автоколебаний колеса локомотива на угловых жесткостях оси колесной пары и "вылетах" вала якоря с частотой ~ 60Гц, вызванное неравновесным состоянием поверхности рельса, при котором её отдельные точки одновременно находятся в разных термодинамических состояниях.

10. Для увеличения сцепления колес локомотива с рельсом целесообразно выполнять очистку рельсов ультразвуковым способом.

11. В электровозах постоянного тока с последовательной системой возбуждения ТЭД при шунтировании резистором обмоток якоря (схема Г. В. Самме) восстановление сцепления происходит за счет значительной скорости скольжения колеса, при

43

кратковременном буксовании, что приводит к удалению окисных пленок с поверхности рельса и созданию благоприятных условий для взаимодействия атомов на поверхности колеса и рельса.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1 Ляпушкин, Н. Н. К вопросу о механизме сцепления колесо-рельс подвижного состава./ Н. Н. Ляпушкин, А. Н. Савоськин// М.: ВНИИЖТ, Тезисы докладов Научно-практической конференции, "Колесо-рельс 2003", - С. 128-129.

2. Ляпушкин,Н. Н., А. Н. Савоськин. Кинетика процесса сцепления колесо-рельс. Днепропетровск, Вестник XI Международной конференции "Проблемы механики железнодорожного транспорта", 2004, - с.116,

3. Ляпушкин, Н. Н. Анализ процесса сцепления колесо-рельс.// Н. Н. Ляпушкин, А. Н. Савоськин// Днепропетровск, Вестник XII Международной конференции "Проблемы механики железнодорожного транспорта", 2005. - С.92-94.

4. Ляпушкин, Н. Н. Расчет температуры в контакте колесо-рельс при скольжении./ Н. Н. Ляпушкин, А. Н. Савоськин//М.: Мир транспорта, 2005, - №1, С 28-30.

5. Ляпушкин, Н. Н Физические процессы при скольжении колеса по рельсу / Н. Н. Ляпушкин, А. Н. Савоськин, А. А. Чу-чин//М.: Мир транспорта. 2006, -№4, с. 16-23.

6. Ляпушкин, Н. Н. Сталь-пленка: фрикционные связи /Н. Н. Ляпушкин //М.:Мир транспорта, 2007. -№2, С 62-65.

7Ляпушкин, Н. Н. Автоколебания колеса при срыве сцепления его с рельсом /Н. Н. Ляпушкин, А. Н. Савоськин, А. А. Чу-чин//М.: Наука и техника транспорта, 2007. - №4 С. 66-71

8. Ляпушкин, Н. Н., Сопоставление процессов холодной сварки в условиях трения скольжения и качения колеса по рельсу со скольжением /Н. Н. Ляпушкин//М.: Наука и техника транспорта, 2007. - №2, С 73-78.

9. Ляпушкин, Н. Н. Модель физических процессов в пятне контакта при движении колеса по рельсу со скольжением / Н. Н. Ляпушкин, А. Н. Савоськин //М.:Наука и техника транспорта, 2008.-№1. С. 33-42.

10. Ляпушкин, Н. Н. Коэффициент сцепления и относительная скорость скольжения колеса по рельсу./Н. Н. Ляпушкин, А. Н. Савоськин//М.: Мир транспорта, 2007. - №4. С. 116-119.

11. Ляпушкин, Н. Н., Окисная пленка рельса и её влияние на фрикционные свойства системы колесо-рельс. /Н.Н Ляпушкин , А. Н. Савоськин // Транспорт: наука, техника, управление. Научный информационный сборник РАН ВИНИТИ, 2008, - №4, с 48-49.

12. Ляпушкин, Н. Н. Термодинамика взаимодействия поверхностей колеса локомотива и рельса / Н. Н. Ляпушкин//М.: Мир транспорта, 2008. - №1. С 14-19.

13. Ляпушкин, Н. Н. Уточнение модели взаимодействия колеса локомотива с рельсом на основе дислокационной теории пластического течения металлов /Н. Н. Ляпушкин, А. Н. Савоськин, А. А. Чучин//Транспорт Урала, Екатеринбург, 2010. - №2, С51-53.

14. Ляпушкин, Н. Н. Моделирование процесса сцепления колеса локомотива с рельсом при шунтировании обмотки якоря тягового электродвигателя (ТЭД) последовательного возбуждения /Н. Н. Ляпушкин, А. Н. Савоськин, А. А. Чучин// Санкт Петербург, Транспорт Российской федерации, 2010. -№6. С50-54

15. Ляпушкин, Н. Н. Сравнительный анализ реализации сцепления локомотивов с последовательной и не зависимой системой возбуждения тягового двигателя / Н. Н. Ляпушкин, А. Н. Савоськин, А. А. Чучин,//М.: Мир транспорта, 2010,- №4 С62-67.

16. Ляпушкин, Н. Н. Уточнение модели скольжения и сцепления колеса локомотива с рельсом / Н. Н. Ляпушкин, А. Н. Савоськин, А. А. Чучин//Вестник В.Э.Л.НИИ, Новочеркасск, 2011 -№4. С17-21.

17. Ляпушкин, Н. Н. Реализация сцепления локомотива с независимой системой возбуждения тягового двигателя 1 Н. Н. Ляпушкин //М.: Мир транспорта, 2011, - №4. С31-34.

18. Ляпушкин, Н. Н. Сравнительный анализ реализации сцепления колеса с рельсом для локомотивов с последовательной и независимой системой возбуждения тягового электродвигателя при "наезде" на масляное пятно /Н. Н. Ляпушкин // Научный информационный сборник РАН ВИНИТИ, 2011. - №6. С 34-39.

19. Ляпушкин, Н. Н. Сравнительный анализ сцепления колеса локомотивов с рельсом при шунтировании обмотки якоря тягового электродвигателя (ТЭД) последовательного возбуждения с независимым возбуждением / Н. Н. Ляпушкин// ММ.: МИИТ Труды XI научно-практической конференции "Безопасность движения поездов", 2010. - .С56-58.

20. Ляпушкин, Н. Н. Применение физической модели сцепления для исследования устойчивости движения колесной пары, упруго связанной с тележкой /Н. Н. Ляпушкин, А. Н. Савоськин, А.П. Васильев// Екатеринбург Труды международной научно-технической конференции Транспорт XXI века, 2011. - С244 -251.

21. Ляпушкин, Н. Н. Авторское свидетельство № 712297 Устройство для увеличения сцепления колеса с рельсом. /Н. Н. Ляпушкин, Р. С. Бендтиткис//опубл. 30.01.1980, бюл. № 4

22. Ляпушкин, Н. Н. Авторское свидетельство № 712296 Способ увеличения сцепления колеса с рельсом /Р. С. Бендтиткис, Н. Н. Ляпушкин, Н. А. Панькин// опубл. 30.01.1980, бюл. № 4

Ляпушкин Николай Николаевич ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ ЛОКОМОТИВОВ С РАЗЛИЧНЫМИ ТИПАМИ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Подписано к печати 16.10. 2013г. Зм^у^-Ц

Объём 3.0 п.л. Формат 60x90 1/16

______Тираж 100 экз.

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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

05201450560

ЛЯПУШКИН НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ локомотивов С РАЗЛИЧНЫМИ ТИПАМИ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

05.22.07 — Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант проф., д. т. н. Савоськин А. Н.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................5

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................13

1.1 Анализ работ в области сцепления колёс железнодорожного подвижного состава с рельсами.........................................................................13

1.2 Анализ существующих теорий сцепления колеса с рельсом.................25

1.3 Цели и задачи работы.................................................................36

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕШЕНИЯ ПОСТАВЛЕННЫХ ЗАДАЧ.........................................................................................39

2.1 Дислокационная модель сопротивления сдвигу и пластическая деформация твердых тел............................................................................39

2.2. Термодинамика взаимодействия поверхностей металлов и участие дислокаций в этом взаимодействии........................................................58

2.3 Влияние поверхностных пленок на установление физической связи между поверхностями металлов...............................................................71

2.4 Заключение по главе 2...............................................................95

3. ПРИЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛИ СЦЕПЛЕНИЯ И СКОЛЬЖЕНИЯ

КОЛЕСА С РЕЛЬСОМ.................................................................97

3.1. Применяемые модели для расчета сцепления колеса с рельсом..........97

3.2 Принципы построения модели сцепления колеса с рельсом и факторы, определяющие процесс сцепления...................................................107

3.3 Принципы построения модели скольжения колеса по рельсу..............123

3.4 Заключение по главе 3.............................................................126

4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА, ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ ПРЕДЛОЖЕННОЙ МОДЕЛИ И ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА СЦЕПЛЕНИЯ КОЛЕСА ЛОКОМОТИВА С РЕЛЬСОМ...............................127

4.1 Результаты расчета коэффициента сцепления для электровозов с последовательным и независимым возбуждением и проверка их адекватности......127

4.2. Основы теории автоколебаний, причины возникновения и основные характеристики ............................................................................143

4.3. Математическое моделирование процессов вертикальных колебаний механической части электровоза и крутильных колебаний в его тяговой передаче.............................................................................................169

4.4 Заключение по главе 4..............................................................202

5. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ СЦЕПЛЕНИЯ КОЛЕСА С РЕЛЬСОМ ПРИ

ДВИЖЕНИИ ЭЛЕКТРОВОЗА В РЕЖИМЕ ТЯГИ...............................204

5.1 Результаты расчета для электровоза с последовательным возбуждением ТЭД..........................................................................................204

5.2. Результаты расчета для электровоза с независимым возбуждением ТЭД и сравнительный анализ с результатами расчета для локомотива с последовательным возбуждением ТЭД..........................................................211

5.3. Моделирование процесса сцепления колеса локомотива с рельсом при шунтировании обмотки якоря ТЭД последовательного возбуждения.........................................................................................224

5.4. Заключение по главе 5............................................................233

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................234

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................236

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ВЕРТИКАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ СИСТЕМЫ ЭКИПАЖ-ПУТЬ И КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ КОЛЕСНО-МОТОРНЫХ БЛОКОВ.......................................250

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. РЕЗУЛЬТАТ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА СЦЕПЛЕНИЯ КОЛЕСА С РЕЛЬСОМ ПРИ ТРОГАНИИ С МЕСТА И РАЗГОНЕ ПОЕЗДА...................................................................................252

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ В ОБОБЩЕННЫХ КООРДИНАТАХ, ПРИНЯТЫХ В РАБОТЕ И ТАБЛИЦА ПРИВЕДЕННЫХ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ..................................................................256

ВВЕДЕНИЕ

Работа рельсового транспорта во многом зависит от технического совершенства средств тяги - локомотивов, моторных вагонов, трамваев. Тяговые единицы подвижного состава выполняют свои функции, благодаря фрикционному взаимодействию ведущего колеса и рельсовой колеи.

Степень разработанности проблемы сцепления следующая. Второе столетие вопросы реализации силы тяги по сцеплению находится в поле зрения специалистов различных областей науки. При зарождении теории и практики тяги поездов Н. П. Петров [1] детально рассматривал вопросы сцепления колеса с рельсом. С момента зарождения железнодорожного транспорта были предприняты поиски условий для реализаций наиболее высоких коэффициентов сцепления. Формировалась экспериментальная база по определению коэффициента сцепления, а также математический аппарат для обработки полученных экспериментальных данных. Большой вклад в решение этих задач был сделан в нашей стране Н. П. Петровым [2], за рубежом А. Пуаре [3], М. Боше [4], Дж. Бюте [5]. Однако, природа процесса сцепления колеса с рельсом, оставалась вне пределов исследований, хотя каждый автор работ, посвященной данной тематике, подчёркивал настоятельную необходимость изучения физических процессов, происходящих в контакте колесо-рельс.

От процессов, происходящих в контакте взаимодействия колеса с рельсом, зависит в целом эффективность тягового подвижного состава железных дорог. Самой сложной по конструкции составляющей системы колесо - рельс является колесо. На локомотивах, где в ограниченном объеме размещено множество устройств, обеспечивающих воспроизводство, передачу и трансформирование больших потоков энергии, которые в конечном итоге подводится к колесу. Эффективная реализация этой громадной по величине энергии, передаваемая в тяговом усилии, зависит только от сцепления колеса с рельсом.

Однако процессы, происходящие в контакте практически до настоящего времени не изучены. Величина коэффициента сцепления на практике оценивает

сцепные качества системы колесо - рельс, которую обычно определяют экспериментально. Измеренные значения коэффициента сцепления могут в два раза и более превосходить максимальные коэффициенты трения скольжения для металлов, рассчитанные по формуле, по своей структуре напоминающей христоматийную зависимость Амонтона - Кулона. Еще в значительно большей степени коэффициент сцепления превосходит коэффициенты трения качения металлического колеса по металлическому основанию. Однако заметим, что режим качения колеса рельсового экипажа классифицируется как режим трения качения с проскальзыванием, т. е. объединяет в себя два названных процесса.

В настоящее время, расчётная масса поезда определяется условиями реализации сцепления колёс с рельсами, то есть расчётным коэффициентом сцепления у/1(. Значение этого коэффициента устанавливают на основе натурных испытаний для конкретных железных дорог. В соответствии с действующими правилами тяговых расчётов (ПТР) 1985 года значения коэффициента сцепления ^.установлены для различных железных дорог в пределах 0,20-0,26.

В условиях, когда масса поезда на направлениях, связывающих районы Сибири и Казахстана с Уралом и европейской частью страны, увеличена до 6000 т, мощность тяговых двигателей достигла 1200-1400 квт, появились утверждения о возможности работы электровоза с у/н>0,3 [126]. Для реализации этого условия предполагается использовать электровоз в режиме работы колесно-моторных блоков с постоянной скоростью скольжения 4-6%, что приведет к повышенному износу рельсов и бандажей колесных пар.

В 2002 году МПС РФ приняло решение о введение унифицированных норм массы грузовых поездов 6000 т. В результате стало больше участков, где пропуск поездов осуществляется с применением толкачей или без остановок на станциях перед подъёмами. В этих условиях эксплуатации локомотивов проблема сцепления стала еще более острой.

Для изучения природы сцепления колеса с рельсом были предложены многочисленные теории. Основные из них - теория пластического деформирования

И. Гранвуане [117]; теория продольного крипа О. Рейнольдса [119] и Н. П. Петро-ва[120]; дифференциального крипа А. Пальмгрена [121] и Г. Хиткоута [123]; молекулярная теория Г. Томлисона [124]; теория упругих несовершенств А. Ю. Ишлинского [125]. Совместный учет влияния объемных и поверхностных эффектов на сопротивление качению рассмотрено в работе И. Г. Горячевой [20]. В работах Ю.М. Лужнова [37] впервые был поставлен вопрос о физическом состоянии поверхности рельса. Однако достигнутый уровень науки о трении качения со скольжением не позволяет объяснить теоретически основные закономерности, наблюдаемые в практике качения колеса по рельсу.

Второе столетие проблема сцепления колеса с рельсом является предметом рассмотрения многих ученных у нас в стране и за рубежом. Международная конференция по сцеплению (Лондон, 1963 г.) констатировала, что «мы абсолютно не знаем, что происходит при движении стального колеса по рельсу». Прошло ещё почти полстолетия и в своей работе А. Л. Голубенко [41] утверждает «...не только в нашей стране, но и в мире, практически нет монографий, посвященных изучению фрикционных процессов в контакте двигающегося колеса и рельса». Знание этих процессов остро необходимо практике эксплуатации железнодорожного транспорта при принятии решений о твердости стали рельса и колеса, о её качественном составе и о режимах тяги железнодорожных составов, особенно в связи с переходом подвижного состава на повышенные осевые нагрузки подвижного состава, повышенные весовые нормы поездов, изменение параметров рельсовой колеи рельсошпаловой решетки.

Поэтому работа, направленная на изучение физического процесса сцепления колеса с рельсом, являются актуальной.

В настоящей работе осуществлено построение модели сцепления колеса с рельсом. Данная модель основана на классических представлениях физики взаимодействия твердых тел, т. е. колеса с рельсом, обладающих кристаллической структурой, при условии их пластической деформации, происходящей в результате взаимодействия между собой. Исходя из этих представлений, найдена причина скольжения колеса по рельсу в режиме тяги, получены функциональная зависи-

мость силы сцепления от скорости скольжения колеса по рельсу и скорости движения локомотива для локомотивов с различными системами возбуждения тяговых электродвигателей, проверена их адекватность, также исследована их реализация сцепления при различных условиях.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Разработка модели сцепления колеса локомотива с рельсом и прогнозирование сцепных свойств локомотивов с различными типами тяговых электродвигателей.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие

задачи

- установлено влияние силы тяги локомотива на величину концентрации дислокации на поверхности рельса и получено аналитическое выражение для определения концентрации дислокации в пятне контакта, учитывающее динамику её движения в объеме рельса;

- определена сила взаимодействия группы атомов колеса и рельса в активной зоне, возникшей на пятне контакта, в результате выхода дислокаций на это пятно под действием нормальных и тангенциальных сил;

- установлено влияние относительной скорости скольжения колес локомотива на температуру в пятне контакта колеса с рельсом с использованием термодинамики неравновесных процессов;

- определено влияние относительной скорости скольжения на величину силы и коэффициента сцепления, а также построены зависимости силы сцепления от скоростей скольжения и движения колеса локомотива с различными системами возбуждения их тяговых электродвигателей.

- выполнена проверка адекватности расчетных характеристик сцепления путем сравнения её с экспериментальными;

- определены особенности реализации процессов сцепления для локомотивов с различными системами возбуждения его тяговых двигателей в различных режимах тяги;

- установлена причина возникновения автоколебаний при реализации сцепления локомотивом.

ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

- использованы методы физики твердого тела, в частности, методы анализа структуры твердых тел и дислокационная модель пластического течения кристаллической структуры металлов;

- методы физической химии: физико-химический анализ образования окис-ной пленки на поверхности рельса;

- методы термодинамики обменных процессов при контакте колеса и рельса в условиях нормального и тангенциального воздействия со стороны колеса на рельс;

- метод моделирования переходных процессов в тележке и тяговом электроприводе электровоза с помощью пакета Ма11аЬ;

- методы тяговых расчетов движения одиночной колесной пары и тележки.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

- уточненная модель сцепления колеса локомотива с рельсом совместно с моделью вертикальных колебаний тележки локомотива и крутильных колебаний в его тяговой передаче позволяет выполнять исследования тяговых и сцепных свойств локомотива на стадии его проектирования.

- показано, что нельзя определять силу сцепления колеса локомотива с рельсом без учета трансляционного пластического течения материала в пятне контакта;

- построены характеристики сцепления локомотивов с последовательной и независимой системами возбуждения их тяговых двигателей на основе выражения, позволяющего определять концентрацию дислокаций на поверхности рельса в пятне контакта, с учетом динамики движения дислокаций;

- разработана методика расчета температуры поверхности рельса и колеса локомотива на контактной площадке;

- установлено, что в силу различий в объемных деформациях окисной пленки и металла, коэффициента их теплового расширения, а также из-за скольжения колеса по рельсу, на поверхности рельса происходит разрушение окисной пленки с находящимися на её поверхности загрязнениями;

- установлено, что причиной автоколебаний колеса локомотива при пробуксовке является неравновесное состояние поверхностных слоев рельса, связанное с увеличением их температуры более 1000А";

- показано, влияние способа возбуждения тягового двигателя локомотива на устойчивость к возникновению крутильных автоколебаний колеса.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

- разработаны на уровне изобретений способ и устройство для увеличения сцепления колес локомотива с рельсом.

-предложенная модель сцепления позволяет более точно оценить сцепные свойства на стадии проектирования локомотива с различными системами возбуждения его тяговых двигателей, а также оценить электромагнитные и электромеханические процессы, протекающие одновременно как в силовой части локомотива, так и непосредственно в пятне контакта колеса с рельсом, при обычных и повышенных осевых нагрузках;

- разработана программа расчета величины скольжения и силы сцепления колеса с рельсом в пакете МАТЬАВ, позволяющая моделировать процесс движения колеса локомотива по рельсу в различных режимах тяги и торможения;

- установлена причина автоколебаний колеса локомотива при срыве его сцепления с рельсом и доказаны преимущества применения тяговых электродвигателей с жесткими характеристиками для улучшения сцепных свойств локомотивов;

- подтверждена целесообразность кратковременного буксования локомотива при шунтировании резистором обмоток якоря тягового двигателя последовательного возбуждения, с целью повышения его тяговых и сцепных свойств, а также увеличения массы поезда;

На защиту выносится

разработанная модель сцепления, учитывающая физические процессы, происходящие в зоне контакта, позволяющая построить трёхмерную зависимость коэффициента сцепления от скоростей движения и скольжения колеса по рельсу для локомотивов с различными типами тяговых электродвигателей, а также прогнозировать сцепные свойства проектируемых локомотивов и уточнить механизмы срыва и восстановления сцепления.

Достоверность результатов исследования

основывается на корректном использовании положений физики твердого тела и методов численного моделирования взаимодействия колеса локомотива с рельсом, а также колебательных процессов в тележке и тяговом электроприводе электровоза.

Апробация работы

Основные результаты работы опубликованы в открытой печати и докладывались на научно-практических конференциях: "Колесо-рельс 2003г., круглый стол", Москва, МПС РФ, ВНИИЖТ, 2003 г.; на XI и XI1 Международных конференциях "Проблемы механики железнодорожного транспорта", Днепропетровск, 2004г. и 2005г.; на семинаре «Механика фрикционного взаимодействия твердых тел имени И. В. Крагельского» института проблем механики РАН; на Всероссийской научно-практической конференции "Транспорт России: проблемы и перспективы" на XI научно-практической конференции "Безопасность движения поездов" пробл