автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Тепловые процессы в зоне трения колеса локомотива с рельсом

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМ EH НОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ВЗАИМО ДЕЙСТВИЯ КОЛЕС С f^SEaj'lS^C^-i^.iVil'i» • as о« а« ФО»вчоеи»оа*в»»о«вв»ов «»••в*«** о» •»«•>«*>ciee<> во S

1.1. за ivoi юмерпости трепия качения и скольже! шя колеса по рельсу.

1.2. Структура коэффициента сцепления колеса с рельсом.

1.3. Основной коэффициент сцшшения и фрикционные характеристики колёс подвижного состава и рельсов.

1.4. Вопросы прогнозирования фрикционных свойств пары колесо-рельс.

1.5. Влияние тепловых процессов па взаимодействие колеса и рельса.

1.6. Закономерности изнашивания колёс и рельсов.

2. СОСТОЯНИЕ И ФРИКЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ РЕЛЬСОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ С ШИРИНОЙ КОЛЕИ 1520 ММ.

2.1. Основные существующие профили рельсов и бандажей колёс тягового

1ЮДВИЖН01 о состава.

2.2. Наиболее характерные виды дорожек katai шя колёс по рельсам.

2.3. Методы, приборы и методика проведения работ по исследованию фрикционных свойс тв дорожек трени? колёс и рельсов.

2.3. Результаты полевых испытаний.

2.4. Лабораторные исследования.

2.5. Экспериментально-аналитические исследования фрикционных возможностей колёсной пары, перекатывающийся i ю рельсовой колее.

3. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ВО ФРИКЦИОННОМ КОНТАКТЕ КОЛЕСА С

3.1. Тепловая динамика трения и износа применительно к колёсу и рельсу.

3.2. Определение теплофизических свойств материалов па поверхностях колеса и рельса.

4. РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ЗОНЕ КОНТАКТА КОЛЕСА И РЕЛЬСА.

4.1. мощ1юсть теплового потока в koi п акте колеса с рельсом.

4.2. Расчё т темпера турных полей на поверхности и в объёме рельса при стационарном движении поезда на прямой.

4.3. гриботехнические подходы к исследова11и10 tpei1ия и изнашивания твёрдых тел.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ВЫВОДЫ.

Выводы.

1. Предложена усовершенствованная физическая модель фрикционного взаимодействия колёс подвижного состава и рельсов с учётом влияния реальных поверхностных полидисперсных слоев.

2. Впервые выявлено влияние погодных факторов на исходный уровень трения боковых дорожек катания колёс по рельсам.

Установлена сильная зависимость фрикционных характеристик дорожек трения от свойств дисперсных слоев и степени их увлажнения. Наибольшие коэффициенты трения на дорожках катания реализуются при относительной упругости прилегающего к ним водяного пара соответствующей 80% относительной влажности воздуха, а самые низкие - при Р8/Р=Ю0%.

3. Теплофизические свойства поверхностных загрязнений колёс и рельсов сильно меняются с ростом скорости движения локомотива и скорости скольжения колеса по рельсу. Это необходимо учитывать при решении тепловых задач, связанных с работой пары трения колесо-рельс.

4. Контакт реального колеса и рельса неоднороден. На нём имеются участки площади, где между собой контактируют выступы (микронеровности) материала колеса и рельса. Остальное (во много раз большее) пространство занимает полидисперсный слой поверхностного загрязнения, через который также передаются нормальные и касательные усилия между колесом и рельсом. В общем случае сила трения между колесом и рельсом (Р), складывается из трёх составляющих: силы трения между выступами твёрдого тела (Рут), силы трения в структурированном дисперс

141 ном слое (Рдс) и сил, связанных с деформированием более мягкого материала (Рдеф)- То есть: Ртт + Рдс+ Рдеф- Этим и объясняется сильная зависимость сил трения от степени увлажнения контактирующих поверхностей и реологических свойств дисперсного слоя. В частности и наблюдающиеся в эксплуатации сезонные изменения интенсивности изнашивания колёс и рельсов.

5. Боковые поверхности трения колёс и рельсов, работающих в условиях граничного трения, атмосферного и производственного воздействия, несут на себе слои (толщиной от 1 до 10 -15 мкм), состоящие из мелкодисперсных элементов твёрдых веществ, образующихся в результате износа и коррозии и заносимых со стороны в зону трения, атмосферной влаги и смазки. Наиболее вероятный размер твёрдых частиц близок к 0.1 - 0.2 микрона. Так как установлена идентичность дисперсных загрязнений на боковых поверхностях рельсов со свойствами исследованных ранее на других участках поверхностей трения колёс и рельсов, то можно предположить, что и на боковых поверхностях трения колёс и рельсов могут реализовываться различные виды смешанного трения.

6. Разработан вариант модернизированного роликового трибометра для измерения фрикционных характеристик боковых поверхностей головки рельса, пригодный для проведения работ в эксплуатационных условиях. Усовершенствованный трибометр и разработанный метод оценки фрикционных свойств боковых поверхностей рельсов может быть использован при оценке эффективности и отработки режимов рельсосмазывания на железнодорожном транспорте.

7. Представленные в работе результаты исследования тепловых процессов в зоне трения колёс локомотивов с рельсами,

142 могут быть использованы при выборе наиболее рациональных режимов управления скольжением колёс локомотивов с целью повышения и стабилизации их сцепления с рельсами.

143

1. Стенограмма заседания НТС МПС РФ от августа 1998 года.

2. Стенограмма Всероссийского съезда железнодорожников, 18 -21.05.1996 г., Тверь,1996.

3. Ларин Т.В. Исследование механизма износа, усталостного выкрашивания, образования выщербин и наволакивания на поверхности катания цельнокатаных колёс. Труды ВНИИЖТ, вып.581, Транспорт, М., 1977.

4. Вайман Г. Проблемы выбора материала для бандажей железнодорожных колёс. Обзор по системе Информсталь, ин-т «Черметинформация», вып. 13 (257), М., 1986.

5. Чичинадзе A.B. Расчёт и исследование внешнего трения при торможении. Наука, М., 1967.

6. Чичинадзе A.B., Браун Э.Д., Гинзбург А.Г. и др. Расчёт, испытание и подбор фрикционных пар. Наука, М., 1979.

7. Чичинадзе A.B., Матвеевский P.M., Браун Э.Д. Материалы в триботехнике нестационарных процессов. Наука, М., 1986.

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

9. Дронов A.A. Влияние сцепления колеса с рельсом на продольные силы пути и температуру контакта. Дисс. . канд. техн. наук. М.,1982.

10. Ю.Флячинский К.П. Влияние условий взаимодействия колеса и рельса на фрикционные процессы в зоне контакта. Дисс. . канд. техн. наук. М., 1992.144

11. Попов В.А. Влияние фрикционных процессов на реализацию сцепления колёсных пар локомотива с рельсами. Дисс. . канд. техн. наук. М., 1983.

12. Мугинштейн Л.А., Лисицын А.Л. Нестационарные режимы тяги (Сцепление. Критическая норма массы поезда). Интекст, М., 1996.

13. Лисицын А.Л., Мугинштейн Л.А. Нестационарные режимы тяги

14. Тяговое обеспечение перевозочного процесса). Интекст, М.,1996.

15. Костецкий Б.И., Натансон М.Э., Бершадский Л.И. Механо-химические процессы при граничном трении. Наука, М.,1972.

16. Буше H.A. Трение, износ и усталость в машинах (Транспортная триботехника). Транспорт, М., 1987.

17. Дерягин Б.В. Что такое трение? Изд.АН СССР, М.,1963.

18. Bowden F.P. and Tabor D. Friction and Lubrication. London,1950.

19. Bowden F.P. and Tabor D. Friction and Lubrication of Solids. Oxford,1954.

20. Боуден Ф., Тейбор Д. Трение и смазка. Машгиз, М., 1960.

21. Крагельский И.В Аналитические зависимости применительно к расчёту сил трения. Сб.Всес. симпозиум о природе трения твёрдых тел. Наука и техника, Минск, 1969.

22. Крагельский И.В., Михин Н.М. О природе контактного предварительного смещения твёрдых тел. ДАН СССР, т. 153, №1, М.,1963.

23. Михин Н.М. О расчёте усилий, действующих на сферический индентор при движении по пластическому полупространству. Сб. Трение твёрдых тел. Наука, (VS., 1964.

24. Михин Н.М. Трение в условиях пластического контакта. АН СССР, М.,1968.145

25. Петров H.П. Сопротивление поезда на железной дороге.1. СПб.,1889.

26. Carter F.W. On the action of a Locomotive driving wheel. Proc. Roy. Soc. Ser., A, 1927.

27. Ковалёв H.A. Боковые колебания подвижного состава. Транс-желдориздат, М., 1957.

28. Динамика установившегося движения локомотивов в кривых. Под ред. д.т.н. проф. Куценко С.М., Харьков, 1975.

29. Петров Н.П. О непрерывных тормозных системах. Известия С -Пб. технологического института. С.-Петербург, 1878.

30. Барский М.Р Влияние динамических процессов на коэффициент сцепления электровозов. Труды ЦНИИ, вып.64, Трансжел-дориздат, 1952.

31. Андриевский С.М. Боковой износ рельсов на кривых. Труды ЦНИИ МПС, вып. 207, 1961.

32. Бычковский A.B. Повышение тяговых свойств эксплуатируемых электровозов. Техника железных дорог №8,9, 1946.

33. Бычковский A.B. Тяговые свойства электровозов серии ВЛ 19, ВЛ 22, CCI! и их улучшения. Дисс. . канд. техн. наук. М., 1946.

34. Красковский Е Я. О трении качения при действии избыточного вращающего момента. Сб.тр. ЛИИЖТ, вып.160, 1958.146

35. Кармазин А.И. О проскальзывании колёс при наличии касательной силы. Техника железных дорог, №8. 1955.

36. ЗТ.Уеншутин H.H. Зависимость между силой сцепления и скоростью скольжения колёсной пары локомотива. Вестник ВНИИЖТ №7, 1960.

37. Меншутин H.H. Исследования скольжения колёсной пары электровоза при реализации силы тяги в эксплуатационных условиях. Труды ЦНИИ МПС, вып. 188, 1960.

38. ЗЭ.Желев Ж.Д. Влияние изменения осевой нагрузки и геометрии бандажа локомотива на коэффициент сцепления. Дисс. .канд. техн. наук. М., 1977.

39. Longston С.F. Itami GS Locomotive Friction-Greep Studies-Transactions of ASME-Journal of Eng. of Industrie, 1980.

40. Фин X., Вейнхард M., Зеенховен H. Опытный электровоз с тяговым двигателем трёхфазного тока Нидерландских жел. дорог. Измерения сил сцепления колеса с рельсом. Жел. дор. мира №11, 1980.

41. Barwell F.Т. The tribology of wheel on rail. Tribol.lnt., №4 1974.

42. Самме Г.В. Вопросы теории сцепления. Труды ВЗИИТ, вып.88, №7, 1977.

43. Евдокимов Ю.А., Шаповалов В В., Григориади К.Ю. Расчет масштабного фактора при исследовании коэффициента сцепления колеса с рельсом. Труды РИИЖТ, вып. 142. Ростов-на-Дону. 1979.

44. Лужнов Ю.М. Основы сцепления локомотивов с рельсами. РЖ ВИНИТИ, Железнодорожный транспорт. реф.5В39-82, №5 1982.147

45. Бычковский A.B., Михненко Е.Ф., Беспалов И.И. Измерение давления колеса на рельс при движении электровоза. Вестник ВНИИЖТ, №6, 1964.

46. H.M.Tournay. Rail/Wheel Interaction from A Track And Vehicle Design Perspective. IHHA STS-Conference "Wheel/Rail Interface". Conference Proceedings. Vol 1, Moscow, 1999, p 41-58.

47. Лужнов Ю.М. Исследование причин, вызывающих снижение сцепления колёс локомотивов с рельсами на Московской железной дороге. Отчёт по НИР М., 1971.

48. Лужнов Ю.М., Черепашенец Р.Г. Исследование трения на железнодорожных рельсах в интервале положительных температур. Труды УИИТ, вып.445, М., 1973.

49. Черепашенец Р.Г. Зависимость силы сцепления от фрикционного состояния контакта колёс электровозов с рельсами. Дисс. . канд. техн. наук. М., 1978.

50. Лужнов Ю.М., Богомолов A.M. Состав и строение поверхностных слоев трущихся тел в открытых грузонапряженных узлах трения. Тр. 2-го Международного симпозиума по трибологии фрикционных материалов. Ярославль. 1994 г. с. 333.335.

51. Крагельский И.В. Трение и износ. М. Машиностроение, 1968.

52. Косиков С.И. Условия скольжения на рельсе. Исвестия АН СССР, ОТН, №8, 1957.148

53. Лужнов Ю.М., Черепашенец Р.Г., Сальман Р.В. Методика и аналитические исследования состава поверхностных загрязнений рельсов. Труды МИИТ, вып.445, М., 1973.

54. Лужнов Ю.М., Русакова Н.В., Черепашенец Р.Г. Рентгенострук-турные исследования состава поверхностных загрязнений железнодорожных рельсов. Труды МИИТ, вып.445, М., 1973.

55. Дерягин Б.В., Карасёв В.В., Лужнов Ю.М., Никифоров В.П., Маринин П.И., Хромова E.H. Модуляционно-поляриметрическая установка для измерения толщины тонких плёнок. Труды МИИТ, вып.445, М., 1973.

56. Лужнов Ю.М. Особенности трения на рельсах в зимних условиях. Труды МИИТ, вып.445, М., 1973.

57. H.J. Andrews. The adhesion of electric lokomotives. The Proceeding of the Institution of Electrical Engineers. Vol. 102. Part A, №6, 1955.

58. H.J. Andrews. Chemical methods of improving rail adhesion. Convention on adhesion. Paper 11. London. 1968.

59. A-E.MuHer. Reibungsverhältnisse bei bross- Electrolocomotiven. Electrotechnische Zeitschrift. Heft 1, s.1 7, 1928.

60. Metzkow Untérsuchunge des Haftungverhältnisse zwischen Rad und Schiehe beim Bremsvorgang. Org. F.E. (Organ für die Fortschritte des Eisenbahnwesens) 89, №13, s.247, 1934.

61. E.W.Curtius und A.Kniffler. Neue Erkenntnisse über die Haftung zwischen Treibrad und Schiehe. Elektrische Bahnen №1/2, p.25, 1944, №3/4, p.51, 1944, №9, p.201, 1950.

62. F.Nouviori. Electrical control devices for the improvement of adhesion. Convention on adhesion. Paper 5. London, 1963.149

63. F.Nouvion, M.Bernard. Connaissances nouvelles sur ladherence des locomotives electriques Revue générale des chemius de fer, 1961, 80, mars, 133 157, 194, 195, 196.

64. H.W.Lucas and A.S.Robertson. Control of tractive effort on electric tractors. Convention on adhesion. Published by the institution. Paper 6. London, 1963.

65. Кондратенко С.А. Прогнозирование сцепных свойств электровозов с учётом особенностей районов эксплуатации. Дисс. . канд. техн. наук. Ростов-на-Дону, 1998.

66. Щедров B.C., Чичинадзе A.B., Трояновская Г.И. Влияние температурного поля на фрикционные характеристики и моделирование процесса трения. Труды III Всесоюзной конференции по трению и износу. Изд. АН СССР, 1960.

67. Дубинин А.Д. Энергетика трения и износа деталей машин. Машгиз, М. К., 1963.

68. Костецкий Б.И. Сопротивление изнашиванию деталей машин. Техника, Киев, 1970.

69. Костецкий Б.И., Бершадский Л.И. Механика и физико-химия действия смазок. Сб. Надёжность и долговечность машин. УСХА, Киев, 1971.

70. Матвеевский P.M. Температурная стойкость граничных смазочных слоев твёрдых смазочных покрытий при трении металлов и сплавов. Наука, М., 1971.150

71. Матвеевский P.M., Буяновский И.А., Лазовская О.В. Исследование температурных пределов защитных свойств смазочных слоев при трении. В кн.: Износостойкость. Наука, М., 1975.

72. Карслоу Г., Иегер Д. Теплопроводность твёрдых тел. Наука,1. М., 1964.

73. Балакин В.А. Расчёт толщины теплового слоя в поверхносных слоях твёрдых тел, находящихся под действием кратковременного интенсивного трения. Машиноведение №6, 1979.

74. Дроздов Ю.Н., Арчегов В.Г., Смирнов В.И. Противозадирная стойкость трущихся тел. Наука, М., 1981.

75. Мышкин Н.К., Кончиц В.В. К определению температурной стойкости граничных смазочных слоев. Трение и износ т.2 №4, 1981.81 .Крагельский И.В., Добычин А.Н., Комбалов B.C. Основы расчётов на трение и износ. Машиностроение, М., 1977.

76. Гол его Н.Л. Технологические мероприятия по борьбе с износом в машинах. Наука, М.,1961.

77. Вериго М.Ф. Причины роста интенсивности бокового износа рельсов и гребней колес. Транспорт, М. 1992.

78. Богданов В.М. Снижение интенсивности износа гребней колес и бокового износа рельсов. Железнодорожный транспорт 1992. № 12.

79. Тиницкий С.Н., Шинкарев Б.С. Еще раз о возможностях снижения интенсивности бокового износа рельсов и гребней колес подвижного состава. Бюллетень ОСЖД. 1992. № 3. с. 14-17.

80. Богданов В.М., Евдокимов Ю.А., Кашников В.Н., Майба И.А. Проблемы износа колес и рельсов. Возможные способы борьбы. Железнодорожный транспорт 1996. № 12. с. 30-31.151

81. Азаренко В.А. Проблема износа рельсов и гребней : еще одинвзгляд. Локомотив. 1994. № 3. с. 38-40.

82. Богданова E.H. Повышение ресурса пары трения колесо-рельс на основе совершенствования конструктивных и технологических параметров. Дисс. . канд. техн. наук. М., 1997.

83. Данилов В.Н. Железнодорожный путь и его -взаимодействие с подвижным составом. Желдориздат, М. 1961.

84. ЭО.Вериго М.Ф., Коган А.Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. Под ред. М.Ф. Вериго. Транспорт, М. 1986.91 .Справочник инженера-путейца. Под ред. Басилова В.В., Чернышева М.А. Т. 1. Транспорт, М. 1972.

85. Буйносов А.П., Цихалевский И.С. Анализ износа бандажей с различными профилями поверхности катания колесных пар. Тезисы докладов 6 Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию МИИТа. М. 1996. с. 46.

86. Инструкция по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм № ЦТ/329. 1995.

87. Лысюк B.C. Причины и механизм схода колеса с рельса. Проблема износа колёс и рельсов. Транспорт, М. 1997.

88. Минов Д.К. Роль скольжения колёс и реализация тягового усилия и структура коэффициета сцепления при электрической тяге. Известия АН СССР. ОТН. №4, АН СССР, М., 1947.

89. Минов Д.К. Теория процесса реализации сил сцепления при электрической тяге и способы повышения их использования. Проблемы повышения эффективности работы транспорта. Вып. 1, АН СССР, М., 1953.

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

91. ЮО.Спицын М.А. Физическая природа сцепления колёс с рельсами и способы повышения величины коэффициента сцепления. Тр. ЦНИИ МПС. Вып.7. Транспорт, М., 1961. 101 Эндрюс Х.И. Механизм сцепления. Железные дороги мира. №9, 1972.

92. Косиков С И. Причины появления ледяной плёнки на рельсах и возможные меры борьбы с ней. Железнодорожный транспорт. №2, 1956.

93. ЮЗ.Косиков С И. Фрикционные свойства железнодорожных рельсов. Наука, М., 1967.

94. Справочник по триботехнике. Под ред. М.Хебды и А.В.Чичинадзе. Т. 1, Машиностроение, М., 1989.

95. Справочник по триботехнике. Под ред. М.Хебд ы и А.В.Чичинадзе. Т. 3, Машиностроение, М., 1992.

96. Писунов В.Н. Энергетика процессов взаимодействия колеса с рельсом и рациональное использование сцепления локомотивов. Дисс. . докт. техн. наук. Омск, 1982.

97. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. Под ред. И.В.Крагельского, В.В.Алисина. Кн. 1, Машиностроение, М., 1978.

98. Основы трибологии (трение, износ, смазка). Учебник для технических вузов под редакцией А.В.Чичинадзе, Наука и техника, М., 1995.

99. Ю.Михеев М.А., Михеев И.М. Основы теплопередачи. Энергия, М., 1970.111 .Конструкционные материалы. Справочник под общей редакцией Б.Н.Арзамасова, Машиностроение, М., 1990. 112.Физические величины. Справочник под редакцией

100. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. Энергоатомиздат, М., 1991. ИЗ.Самме Г В. Проблемы сцепления локомотива. Вестник ВНИ-ИЖТа, №1, 1997.