автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Снижение интенсивности изнашивания гребней колес и рельсов путем обеспечения рациональных конструктивно-технологических характеристик систем лубрикации



РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

^Г/^ф^ ОЗЯБКИН Андрей Львович

СНИЖЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ ГРЕБНЕЙ КОЛЁС И РЕЛЬСОВ ПУТЁМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ ЛУБРИКАЦИИ

05.02.04 - Трение и износ в машинах

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Ростов - на - Дону 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ................................................... 5

1. Анализ существующих работ по износу рельсов и гребней колёсных пар ............................................. И

1.1. Влияние режимов эксплуатации подвижного состава на 'интенсивность износа гребней колёс и рельсов при вписывании железнодорожного экипажа в кривых .................. 23

1.2. Взаимодействие гребня колеса с рельсом ................. 31

1.3. Анализ работ по снижению износа гребней бандажей и железнодорожных рельсов .................................. 39

1.3.1. Анализ существующих конструкций лубрикаторов :......... 45

1.3.2. Обзор существующих смазок ............................ 56

1.4. Критика существующих конструкций и смазок, постановка задачи ................................................. 59

2. Конструктивная оптимизация лубрикатора ................... 62

2.1. Составление системы дифференциальных уравнений эквивалентной механической системы без трения ................ 65

2.2. Оптимизация элементов гребнесмазывателя по исследованию влияния условий эксплуатации на работу системы ......... 104

2.3. Выводы, рекомендации ................................... ИЗ

3. Оценка эффективности и разработка зимнего варианта смазки

для бортовых лубрикаторов подвижного состава ............. 115

3.1. Лабораторное оборудование, использованное для исследований .................................................. 117

3.2. Разработка смазки РАПС, состава компонентов зимнего варианта ................................................. 125

3.3. Оценка триботехнических характеристик смазок для системы "гребень колеса - рельс" ........................................................130

3.4. Оценка влияния смазки типа РАПС на величину снижения потерь тягового усилия локомотивов в кривых пути ..............136

3.5. Выводы ..................................................................................................154

4. Методика модельной оптимизации лубрикатора ............... 157

4.1. Методика комплексного физического моделирования механической системы "лубрикатор- колесо- рельс" ..........................158

4.2. Испытательный стенд, измерительные устройства ....................165

4.3. Методика проведения исследований ..............................................173

4.4. Результаты исследований на базе физического моделирования и трибоспектральной идентификации ....................................177

4.5. Заключение, выводы ..........................................................................189

5. Эксплуатационные испытания бортовых лубрикаторов ..................192

5.1. Технология текущего обслуживания рельсов ..............................193

5.2. Эксплуатационные испытания. Оптимизация конструкции ________199

5.3. Результаты внедрения технологии лубрикации на СКжд ..........205

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ......................................................................210

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ .................................214

Приложение 1. Ориентировочный расчёт сечений гребнесмазыва-

теля на жёсткость и эквивалентный коэффициент

демпфирования ..................................................................226

Приложение 2. Программа расчёта параметров железнодорожного

пути на языке программирования "Basic" ................255

Приложение 3. Программа расчёта ортогонального центрального

комплексного плана ............................ 261

Приложение 4. Патенты РФ и акты эксплуатационных испытаний .. 266

Приложение 5. Программа расчёта поперечных колебаний экипажа

методом Рунге-Кутта-Фельберга ................. 281

Приложение 6. Расчёт масштабных коэффициентов перехода от

модели к натуре "МКР" ......................... 289

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Эффективность эксплуатации техники характеризуется надёжностью, долговечностью и экономичностью работы его основных функциональных систем, критерием потери работоспособности которых во многих случаях является предельный износ контактирующих деталей фрикционных узлов.

Эффективность эксплуатации железнодорожной техники во многом лимитируется фрикционно - механической системой (ФМС) "колесо-рельс". Износ гребней колёс подвижного состава (ПС), боковой поверхности головки рельсов и потери мощности локомотивов превышают технологическую норму в 10...15 раз. Например, предельная интенсивность изнашивания гребней колёс ПС составляет 0,3...0,55 уущокм» а бокового износа рельсов - 0,37...0,5 мм/млн.т.брутто [ 1 ]. Более 30% рабочего парка локомотивов и вагонов находится в различных видах ремонта; ежегодно проводится капитальный ремонт до 20000 км. железнодорожного пути [2].

Одной из причин интенсивного износа колёс и рельсов является возникновение неблагоприятных условий сцепления колёс с рельсом: при горном рельефе местности, затяжных подъёмах, большом количестве кривых малого радиуса и весовых нормах поездов, близких к критическим. Применение толкачей на подъёмах, а на спусках - рекуперативного торможения приводит к увеличенному износу данной пары трения. Снижение скорости движения на подъёмах до 25...30 при норме 43, заставляет колёса интенсивно боксовать, а следовательно, подавать песок в зону сцепления колеса с рельсом.

В условиях эксплуатации исследовать процессы, возникающие в ФМС "колесо-рельс", практически невозможно ввиду их многофактор-

ности. Высокий уровень бокового износа рельсов и гребней колёс ПС ФМС "колесо-рельс" требует проведения комплексных научно- исследовательских работ.

Так как рассматриваемая ФМС ПС-верхнее строение пути (ВСП) находится в нелинейной функциональной зависимости от многочисленных факторов, то возникают серьёзные проблемы при создании корректной математической модели, которая бы включала в свой состав описание нелинейных процессов, протекающих в контакте колеса с рельсом. Некоторые из таких моделей были предложены отечественными учёными, например Тибиловым Т.А. и другими.

В настоящее время нет точных сведений о ведущих видах изнашивания пары трения "колесо-рельс", многие исследователи не пришли к общему выводу. Ввиду сложности математического описания физических процессов, протекающих в данной ФМС, математические модели не могут разрешить данной проблемы, поэтому следует создать полную физическую модель ПС-ВСП с возможностью регистрации и анализа процессов в контакте колеса с рельсом.

Наиболее эффективным в борьбе с высокой интенсивностью изнашивания боковой поверхности головки рельса и гребней колёс ПС является применение лубрикаторов - систем подачи специальной смазки в зону трения гребень колеса - головка рельса. В рамках этого метода в РГУпс был разработан бортовой лубрикатор типа гребнерель-сосмазывателя. Эта система обеспечивает точность нанесения смазки в требуемую зону трения колеса с рельсом, не имеет дополнительной системы управления ею и проста в изготовлении и эксплуатации. Срок службы опытных конструкций составил не более 30% от межремонтного пробега до ТР электропоезда ЭР-9п, что значительно ухудшало их эксплуатационную эффективность. Устранение выявленных не-

достатков потребовало выполнения комплексных расчётно-теоретичес-ких, модельных и физических исследований конструкции лубрикатора и применяемого для него смазочного материала.

Целью работы является разработка научно- обоснованных конструктивно-технологических методов повышения износостойкости элементов фрикционной системы "колесо-рельс" путём усовершенствования технических устройств гребнерельсосмазывания и разработки твёрдой смазки повышенного ресурса смазочного действия.

Для реализации этой цели поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ закономерностей процессов изнашивания колёс и рельсов, технологических методов повышения их износостойкости на основе лубрикации фрикционного контакта "колесо-рельс".

2. Определить конструктивные особенности эксплуатации системы подачи смазки в узел трения колеса с рельсом с целью повышения его надёжности и долговечности по критерию минимума коэффициента динамики.

3. Разработать и найти рациональный состав зимнего варианта

«_> о • • о т-т /~у

новой экологически чистои твердой смазки-покрытия для ПС.

4. Выполнить теоретическую оценку снижения сопротивления движению экипажа в кривой пути при смазывании рабочих пар трения колеса с рельсом, разработать программу для решения задачи на

ЭВМ.

5. Создать физическую модель "ПС-ВСП" для корректировки результатов теоретических и модельных испытаний фрикционной пары трения "колесо-рельс" до и после её лубрикации.

6. Провести эксплуатационные, испытания и внедрить мероприятия по снижению износа гребней колёс ПС и рельсов в кривых пути на сети дорог СКжд.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны теоретические предпосылки повышения надёжности и долговечности системы аккумулятивно-ротапринтного способа подачи смазки на основе решения дифференциальных уравнений на ЭВМ по критерию минимума коэффициента динамики с включением сил сухого трения элементов конструкции в виде нелинейной функции;

- разработаны методика и программа решения на ЭВМ теоретической оценки снижения сопротивления движению в криволинейных участках пути в условиях нелинейных характеристик поперечных и угловых перемещений колёсных пар экипажа и коэффициента трения качения с проскальзыванием при смазывании;

- создана физическая модель ФМС "ПС-ВСП" для исследования взаимодействия гребня колеса с головкой рельса при наличии твёрдого смазочного покрытия в их контакте;

- с применением методики трибоспектральной идентификации для трибосопряжения "колесо - смазка типа РАПС - рельс" на катковом стенде сформирован банк триботехнических и трибоспектральных характеристик модельного эксперимента до и после лубрикации.

Практическая ценность работы заключается в разработке рекомендаций по устранению отказов лубрикаторов типа ГРС, отработки способа приготовления и опытно-промышленного производства разработанного зимнего варианта смазки типа РАПС для использования в системах ГРС.

Разработаны мероприятия по снижению износа гребней колёс и рельсов на основе повышения эффективности использования новой технологии текущего обслуживания (лубрикации) гребней колёсных пар и рельсов в кривых пути. Результаты работы внедрены на СКжд.

Основные положения. выносимые на защиту:

1. Теоретические исследования системы подачи смазки по критерию минимума коэффициента динамики и снижения сопротивления движения экипажа в криволинейных участках пути в условиях нелинейной характеристики коэффициента трения при смазывании контакта колеса с рельсом.

2. Физическая модель "ПС-ВСП" в виде каткового стенда для корректировки результатов теоретических, лабораторных и модельных результатов исследований узла трения "колесо-рельс".

3. Результаты испытаний на физической модели по оценке влияния смазки типа РАПС на процессы трения и изнашивания пары трения "колесо-рельс".

4. Результаты внедрения технологии лубрикации на СКжд.

Реализация работы. За период с 1995 по 1998 год при непосредственном участии автора серийно освоен выпуск смазок типа РАПС, систем их подачи в узлы трения ПС. В 1996 году закончены государственные испытания технологии лубрикации колёс и рельсов на базе электропоездов с использованием гребнерельсосмазывателей (ГРС), систем подачи твёрдой смазки РАПС. Оборудованы конструкциями ГРС электропоезда следующие локомотивные депо СКжд: Ростов, Мин-Воды, Туапсе, Белореченская, Тимашёвская. Завершается разработка и организация серийного производства конструкций ГРС и смазочных стержней РАПС на базе РГУпс для электропоездов и тепловозов для внедрения МПС.

Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы на СКжд (ТЧ Ростов) в 1997 году составил 1251 руб. на один оборудованный ГРС электропоезд.

Работа выполнена в лаборатории кафедры "Путевые и строительные машины" Ростовского н/Д Государственного Университета путей

сообщения и является частью большого комплекса научно- исследовательских и опытно - конструкторских работ, выполняемых в рамках программ МПС "Колесо-рельс" и AT РФ по повышению безопасности движения, и снижению катастрофического износа колёс и рельсов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и получили положительную оценку: на Всероссийской конференции "Разработка и внедрение новых технологий на железнодорожном транспорте", Москва, 1993; на 2 международной конференции "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава", Новочеркасск, 1997; на межвузовской научно-методической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта", Москва, РГОТУПС, 1997; на 2 Азиатско-Тихоокеанской экономической конференции APEC "Technomart", г. Тайбэй, 1997; на 57 научно-технической конференции профессорско - преподавательского состава "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и подготовки специалистов", г. Ростов н/Д, 1998; на отраслевой научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых учёных в их решении", г. Ростов н/Д, 1998; заседаниях кафедры ПСМ, РГУпс, 1996-98.

Объём и содержание работы. Диссертация состоит из 5 глав, изложенных на 292 страницах, содержит 28 таблиц, 75 рисунков, библиографию в количестве 124 наименований, общих выводов и 6 приложений .

Автор выражает благодарность научным руководителям: д.т.н, проф. Шаповалову В.В. и к.т.н., докторанту Майбе И.А.. а также д. т.н., проф. Кашникову В.Н.: к.т.н., докторанту Щербак П.Н. за помощь при проведении теоретических и экспериментальных исследований, Чёрному B.C. за содействие при внедрении работы на СКжд.

1. Анализ существующих работ по износу рельсов

и гребней колёсных пар

По СНГ более 60% грузооборота и свыше 40% пассажирооборота приходится на железнодорожный транспорт. На нужды ж.д. транспорта расходуется Ю...12% топливно-энергетических ресурсов страны, основная часть которых (80...85%) затрачивается на преодоление сил трения и на борьбу с износом [3]. Ежегодно в мире увеличивается пропускная и провозная способность железных дорог, однако практика эксплуатации подвижного состава в СНГ, США и др. показывает, что при повышении скорости движения поездов свыше 60 км/ч интенсивность изнашивания узлов трения подвижного состава и пути растёт не в линейной, а близкой к квадратической зависимости; свыше 90 км/ч - выше квадратической.

Под изнашиванием понимается процесс постепенного изменения размеров детали [4], происходящего при трении, возникающее в результате разрушения поверхностных слоёв под влиянием внешних механических воздействий и среды. Под износом бандажей колёсных пар железнодорожного подвижного состава принято считать изменение профиля их под воздействием сил, возникающих между бандажом и рельсом во время движения. Величина износа бандажа колеса оценивается размером выработки по кругу его катания, называемой "прокатом", а также уменьшением толщины гребня при замере на определённом расстоянии от вершины, "подрезом".

К числу первых работ по изучению природы явлений, происходящих в металле поверхностных слоёв бандажа, следует отнести исследования Кислика В.А., опубликованные в 1938г. [5]. Природа износа бандажей им изучалась путём металлографического анализа поверх-

ности трения и определения механических свойств. Износ бандажей -явление, состоящее из смятия металла от воздействия давления между бандажом и рельсом при качении и истирания его от трения скольжения при проскальзывании бандажа по рельсу во время движения. Смятие объясняется пластической деформацией металла поверхностного слоя, а сопровождающий наклёп способствует нарастанию износа бандажа.

В более поздней работе Кислика В.А. и Кармазина А.И. [6] утверждается, что с увеличением содержания углерода в стали повышается стойкость бандажей и колёс против износа в эксплуатации.

Ларин Т.В. имеет иное представление о механизме износа [7], считая, что пластическая деформация и тепловые явления на поверхности трения являются основными факторами характера процесса и степени изнашиваемости бандажей. В этом случае механизм износа -отделение с поверхности катания частиц пластически деформированного металла и частиц "белого" слоя, образовавшегося в результате структурных превращений от тепла трения при проскальзывании катящегося бандажа по рельсу или трения тормозной колодки. Ларин Т.В. рекомендует уменьшение содержания углерода в стали и компенсацию естественной потери прочности за счёт термической обработки для повышения прочностных характеристик (твёрдости и временного сопротивления разрыву). На основании этого в 1957 г. был утверждён ГОСТ 398-57 на изготовление бандажей железнодорожных колёс.

Изучению процессов трения посвящено большое количество трудов отечественных и зарубежных учёных. Из широко известны�