автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Влияние условий взаимодействия колеса и рельса на фрикционные процессы в зоне контакта

•РГ6 ■ од « «

.!:! ,'!ЛС РЗ

3<ЗРОССЙ!СКЯ НЛ;'"Ю-ИССЛНД03АТКЛЬСШ;1 ИНСТИТУТ НЕЛЕЗНОДОРОЗЭШ ТРАНСПОРТА

На правах рукописи уда 629.4.015: 625.03.3.001.2

ФЛЯЧШСШП КОНСТАНТИН ПАВДОЕИЧ

ВЛИЯНИЕ УСЛОЕЙ ВЗАШЭДЕйСТЕШ КОЛЕСА И РЕЛЬСА .НА ЖЙЩОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЗОНЕ КОНТАКТА ■

Специальности

п

05.02.04 Трение и и снос з маштнах

г

05.32.07 Пэдзизюй состав г.злэзшх дорог и тяга поездов

Л ? О Р Е Ф Е Р А I диссертации на соискание учзной степени кандидата технических наук

"оскез - 1933

Работа выполнена на производственном объединении

"Коломенский завод"

■ 1

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Дуетов Юрий Михайлович

Сфипиалъные оппоненты: - доктор технических наук

Захаров Сергей ¡.'лхайлоЕич; доктор технических наук, профессор Сакыз Георгий Вояьдекаровпч

Ведущее предприятие: - Институт проблей механики РАН

Защита состоится " 24 " Ои^-Л^С 1993г.

на заседании Специализированного Совета Д114.01.04 при Всероссийском научно-исследовательском институте .гелззнодо-ровного транспорта по адресу: 129851, г.Москва, 3-я ШтЕцинская ул.,д.10, в конференц-зале института.

С диссертацией иогно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " « (ЛЛОСиЛ 1993г.

ОгЕыва на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатьэ,просим направлять б адрес Совета института.

Ученый секретарь Специализированного Совета г/ Г.И.Пеньковз

кандидат технических наук

0511АЯ ХАРАКТЕКК'ПКЛ РАБОШ

Актуальность теш.

Б силу специфики своего исторического развития и географического полонения страны гзлзЕНодорогяый транспорт занижает ведущее иолонение в транспортной системе и выполняет большие объе-тгн перевозок, обеспечить которые без создания современным локомотивов становится все труднее. В настоящее время особо вазшое значение приобретает увеличение степени использования мощности у имевшихся и зновь создаваемых локомотивов, например," за счет использования вождения тяжеловесных поездов и пассажирских составов с большим количеством вагоноз и с большими скоростями. Поэтому обеспечение надежной реализации сцепления колес тяговых единиц подвижного состава с рельсами особенно зггно, так как это является основой для увеличения кассы и скоростей даинения поездов, способствует соблюдении графиков движения поездов п уменьшению износа взанмодействугцих поверхностей колеса н рельса.

Изучение закономерностей изменения коэффициента сцепления и соотзетствуп^пх лм энергетических процессов и пх. влияние на изменение фрикционного состояния з контакте колеса и рельса' ыозет послушхть предпосылкой для дальнейшего развития локомотивострое-ния и автоматизация раггиов ведения поезда.

Пзль -работа. Цэльо работы является определение и изучение

связей меяду исходным фрикционным состоянием, состоянием взаимо-(

дейстгупдзх поверхностей колеса и рельса, скоростями скольжения и движения, нагрузкой и температурой в контакте, а также исследование закономерностей их изменения. Это создает предпосылки для установления экономичных и надегных условий взаимодействия колеса к рельса при передаче силы тяги и позволял"выработать рекомендации

• . •

для получения этих условий.

Методика исследования. Теоретические исследования фрпкшон-ного взаимодействия поверхностей трения колеса н рельса позволила установить зависимости мезду исследуемыми параметрами, на основании которых при помощи метода физического моделирования были по;гучены критерии подобия для проведения стендовых и натурных исследований фрикционных процессов. Для измерения и записи исследуемых параметров были использованы магнитограф Н-067, свето-лучевэй осциллограф Н-071, электронно-лучевой индикатор уЫ-76Э, рельсовый трпбометр Р-542 ( а.с. И 432412 ) и устройство для измерения коэффициента трения на колесе рельсового транспортного средства ( а.с. М 1426880 ). Обработка результатов эксперимента после перезаписи на запоминалцее устройство компьютера результатов измерений с магнитографа проводилась на персональном компьютере 1ЕЛ РС.

Научная новизна. Установлена;- зависимость мзгду такими факторами, одраделлтт?д коэффициент сцеилзшхя, как скорость скольжения, размеры контактной площадки, напряжения в контакте, на основе которой определены Ееяичины энергии сил фрикционного взаимодействия и рассчитаны гначения телшератур в контакте колеса и рельса.

Исследования фрикционной теплостойкости и иитенсикзосгьтди--нейного пзнапиваниЕ образцов установили, диапазон значений температур в контакте колеса и рельса, при г.оторих наблюдается пониженный износ взаимодействугглх поверхностей и увеличение козффйцнен-те трениячлегду нищ.

Полученные зависимости цгаду факторам, спродзлящимп процесс сцепления, и результаты исследований позволил разработать метод определения рашональнгх уровней скольгенпя колесных пар с учетом ъ^ечасналЕкх факторов.

Разработаны методика и аппаратура измерения коэффициента тре-

Публикации. По результатам выполненных исследований опублн-ковако 4 научных работы, в том числе получено одно авторское свидетельство.

■ Сттэуктута и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глаз, заключения п выводов, приложений и списка использованной литературы, включаэцей 119 наименований и пзлоге-на на 179 страницах■маштнсппсного текста, иллюстрируется 13 таблицам и 48 рдсунка-'-з:.

ОСНОВНОЕ СОдЕРЕАБИЕ РАБОТЫ

3 первой главе анализируется особенности фрикционного взаимодействуя колес локомотива с реяьса\ш, изучению которого посвящены работы Д.КЛйнова, Н.Н.Ь'еншутина, И.П.Исаева, И. В.Рерпго, Г. 3. Самые, В.М.Лузноза, В. 5. Меде ля, А. Л. Лисицына, Л. А. 1.'угин-птейна, Н.А.Буше, А.Л.Годуйенко, А.П.Павленко, Н.А.Панъкина, А.М.Коняева, Р.Г.Чэрепазенца, А.П.Прунцева, 3.А.Попона, Г.Закса, Х.Оро:^а, Ф,Картера, Я.Калкера, К;'.-Ьллэра-, 0.Креттека, Х.П.Эндрп-са, З.Д.Еувлона, Лабрийпа, Ф.Т.Еарвелла, руато л других.

В основе движения локомотива при реализации тяговые и тормозных усилий: лелл? процесс сцепления колес с рельсам-, оцениваемый величиной козфвициента сщшлензя. Некоторыми автора,л коссфициент сцепления представлен в следулдегл виде:

где % - основной коэффициент сцепления, отрагазхий влияние Фрзкциоенкя свойств: поверхностей трения колес и рельсов;

П - ргзулътирупдий хсосф^ициент использования сцепного веса локомотива,

Ле данный ряда авторов коэффициент использования сцепного веса моз^ет иметь значение от 0,65 до 0,53, а фрикционное свойст-

нпя во время движения локомотива, что позволяет оперативно получать и анализировать информацию о фрикционном состоянии взаимодействующих поверхностей на протяжении длительного участка пути во время движения поезда.

Практическая ценность и реализация работы. Полученная с помощью энергетического подхода модель взаимодействия колеса и рельса позволяет на стадии проектирования локомотива и при его эксплуатации прогнозировать фрикционные свойства контакта. Разработан и использован зо время эксплуатационных испытаний тепловоза ТЗП80-0002 способ оценки фрикционного состояния взаимодействующих поверхностей колеса и рельса. Разработаны ж изготовлены на П0"Ко-ломенский завод" опытные экземпляры "Устройства для измерения коэффициента трения колеса рельсового транспортного средства" (а.с. 1426880), использовавшиеся впоследствии при эксплуатационных испытаниях пассажирских локомотивов.

Установлены рациональные с точки зрения увеличения коэффициента трения мегду колесом и ре1гьсом и снижения износа их взаимодействующих поверхностей уровни допустимого сколькения колесных пар локомотива.

Апробация работы.Основные положения диссертационной работы догладывались и обсуждались на Всесоюзных научно-технических конференциях: "Создание л обслуживание локомотивов бояьлой моцностп" (г.Ворозиловград, 1935г. ), "Обеспечение развития локомотиьострое-ния" (г.Луганск, 1990г. ), на первом Российском научно-техническом семинаре-школе "Современный опыт проектирования, испытаний и эксплуатации узлов трения для транспорта и машносгроегагя ( в условиях перехода к рынку )" (г.Ивантеевка Московской обл.,1932г. ); заседаниях кафедры локомотпвостроення Московского института инженеров нелезнодоропкого транспорта ( 1988г. ); ежегодных паучно-техЕИческзх конференциях молодых специалистов и шгекерно-техни-ческнх работников ПО "Коломенский зазод" ( 1985.. ЛЭЗЗг.г. ).

ва поверхностей трения колес и рельсов, определявшие основной коэффициент сцепления % , изменяются в относительно белее широком диапазоне, поэтому они оказывает в большей степени влияние на реализации локомотивом силы тяги.

Для определения значимости факторов, влиящих на прояеее сцепления, рядом авторов было проведено их ранжирование, в результате которого главными были названы давление в контакте колеса и рельса, физико-химические и фрикционные свойства слоев и загрязнений, скорость скольгения колеса по рельсу, смещение ма-

ч

териала колеса относительно материала рельса, скорость движения локомотива, площадь контакта, толщина слоя поверхностных загрязнений, влажность приповерхностных слоев воздуха, профиль бандака и головки рельса.

Изучение влияния этих факторов производилось в различных условиях по разним методикам и разными авторами, но существует общие положения, которые' следует приникать во внимание при изучении процессов сцепления: в форме зависимости коэффициента сцепления, коэффициента трения, крутящего момента или касательной силы на ейоде колеса от скорости скольгения в его контакте .с рельсом на первом этапе наблюдается прямая линейная зависимость названных функций от скорости скольжения, которая с ростом скорости меняется и переходит после некоторого значения критической скорости Ык~ в иадапзуз. Значение этой критической скорости Цкр рядом исследователей зафиксировано з довольно ппроком диапазоне (0,2.... 20?). А некоторые авторы при натурных испытаниях локомотивов

наблюдали яспзление второго максимума на этой характеристике

отепления в зоне''- сравнительно бользих значений скорости скольжения. С улучшением фрикционного состояния в эксплуатационных условиях, зона появления максимума коэффициента сцепления смещается в сторону меньших значений скорости скольжения и максимальные

значения относительно больше, чем при худших фрикционных условиях, когда к максимума коэффициента сцепления смещаются в сторону больших скольжений.

Учитывая функциональное назначение локомотивов, как транспортных единиц,для реализации силы тяги во время движения многие авторы приводят к зависимости от скорости движения и коэффициент сцепления, имеющий одну общую характерную особенность - с увеличением скорости движения значения коэффициента сцепления падают. Опыт эксплуатации и проведенные исследования показывают, что значения коэффициентов сцепления могут изменяться в больших пределах от 0,06 до 0,45. Так, В.М.Дукновым показано, что коэффициент сцепления изменяется в широком диапазоне в зависимости от времени и климатических условий проведения испытаний, которые в окончательном итоге влияют на изменение коэффициента трения^ между колесом и рельсом. ■

Исследования по изучению взаимного влияния коэффициента сцепления Ч' ряда локомотивов и фрикционного состояния рельсового пути, характеризуемого коэффициентом трения ^ , показали существование между этими двумя величинами связи, которую можно списать уравнениями регрессии нелинейного характера с различными значениями коэффициентов полинома для локомотивов различных серий. Поэтому вызывает несомненный интерес изменение значений коэффициентов трения на поверхностях колеса и рельса. Так т.е, как е коэффициент сцепления, но исследованиям многих ученых, коэффициент трения искет изменяться в довольно широко^ диапазоне от 0,9 - 0,12 { при росе, тумаке или легком снеге на рельсе ) до 0,4 - 0,6 при сухом чистом рельсе.

3 зависимости от скорости скольжения коэффициент трения иэ-кс-кяется такге как и коэффициент сцепления*: ери небольших скоро-

стях увеличивается с иостепвншш замедлением роста, а при больших значениях относительной скорости скольжения - снижается.

Изучение поверхностных загрязнений рельса в эксплуатационных условиях на основе физико-химических методов позволило получить сведения о характере составляющих загрязнений, о толщине поверхностных слоев, их составе, размерах частиц загрязнений, наиболее вероятный размер которых 0,1 . . . 0,3 мкм. Анализ распределения загрязнения на рельсах показал, что наиболее тонкие слои находятся на центральной части поверхности трения, их толщина может меняться от одного до 20 мкм. При изменении влажности приповерхностного слоя воздуха и числа сконденсированных на поверхностях трения молекул воды изменяется как коэффициент трения, так и величина критического скольжения.

Для объяснения фрикционных процессов на поверхностях взаимодействующих колес и рельсов многие авторы используют моленулярно-мехвшческую теорию трения, разработанную Й.В.Крэгельскш, в.основе которой лежит понятие о дзойотвенной.природе сил трения: при взаимном сближении твердых тел происходит их молекулярное взаимодействие и взаимные деформации взаимодействующих микро-нероЕностей. ..... ......

Многообразие параметров, оцрэделякпих фразщпокига процессы в контакте колеса и рельса.л э отдельности.по-разному влияющих вз эти процессы, требует комплексного.подхода к изучению явления сцепления колес локомотивов .и рельсов.. Этому .требованию в л о ля ой ¿-:эре отвечает энергеЕКосигЗ подход, с-помощью которого иозно будет учесть выделение тепла в контакта.

Так при исследованиях, проводимых Национальным.обществом железных дорог Франции( ЗМСР )» бдло замечено повторное увеличение коэффициента сцепления (второй максиму) при увеличении

скорости скольжения. На повышение силы сцепления с увеличением скорости скольжения указывал и Самме Г.В., который отмечал, что это сопровождается повышением температуры в контакте. Некоторые авторы рекомендуют улучшить сцепление подводом тепла в зону трения изЕне, другие сеязыезют улучшение условий фрикционного взаимодейстЕия колеса и рельса со скольжением между контактирующими поверхностями. • . . .

Следует.отметить, что.к улучшению условий взаимодействия колеса и рельса путем подвода тепла в зону контакта за счет увеличения уровня скольжения .необходимо подходить очень осторожно, так как это монет привести к повышенному износу взаимодействующих поверхностей, выкрашиванию дорожек трения как на колесе, так и на рельсе, что сейчас является немаловажной проблемой. .

Так как выделяющаяся в зоне трения энергия в виде тепла может влиять на коэффициент сцепления, то для изучения условий реализации локомотивом силы тяги, наиболее, вкономичных и надежных с точки зрения,сцепления,.выдачи ракомэнда'вдй. для отработки методов к способов активного воздействия на - фрикционные, процессы в контакте необходимо установить:. измзЕэшге температуры в. зоне трения, елия-ния на.это скоростей движения и скольжения и изменения исходного фрикционного состояния; .взаимосвязь изнашивания поверхностей, колеса, и рельса.со значением ..температуры, в контакте; .зависимость выделанной энергии е изменений температуры от параметров контакта -его. размеров, пдопади, а также от..диаметра, колеса и осевой 'нагрузки, тс-^сть. напряжения в контакте^ .г, наконец, учитывая изменчивость..Фрикционного состояния на взаимодействующих поверхностях колеса и рельса, отработать способ контроля за этим состоянием, позволяющий получать пнформзшэ во врзмя дзижзния при реализации им своих функциональных задач - реализации силы тягл.

- II -

Вторая глава посвящена определении в контакте колеса и рельса значений энергии сил фрикционного взаимодействия,приводящих к тепловым процессам между взаимодействующими поверхностям!,изучению которых посвящнны работы многих ученых: И.В.Крагельсксго, A.B. Чичинадзе,Э.Д.Брауна, Х.Блока, Й.Боудена и других.

Для получения выражения,учитывающего параметры,характеризуйте сцепление,автор определил энергию,выделяемую при перемещении элементарной площадки колеса со сторонами d% и dy на зеличине пути скольжения J. - ой полоске шириной dlj по-

верхности рельса, а затем, суммировав значения энергий по полоскам, получил полное выражение для энергии:'

в Е7р--$ЖагЬ]и<этаз.иск, (I)

где О. и V - полуоси эллипса пятна контакта; JU - коэффициент трения ;

- максимальные напряжения в контакте;

- относительное скольжение

А

Выражение (I) получено автором для новых профилей поверхностей колеса и рельса, имещих пятно контакта в форме эллипса. По мере приработки поверхностей пятно контакта преобразуется и в первом приближении его можно представить в виде прямоугольника. 3 этом случае:

Ег? - SCa&mß&ma„ ис-, (2)

где Ö - половина длины контакта,

Д] - ширина пятна контакта.

Выражение (I) и (2) можно представить з следующем виде:

ß иея ,

где |'Г2тя — л!овффз1ЩЕНт, характеризующий условия контактирования между колессм и рельсом.

- 12 - . • ь « *

( 3 физическом смысле коэффициент Кетр представляет собой величину энергий, которая щделяется в контакте колеса и рельса при коэффициенте трения = I и скорости относительно скольжения = I- ( 100^ ), что позволяет воспользоваться им при анализе влияния радиуса колеса,.размеров контакта, коэффициента трения, скорости скольжения на величину энергии,выделяющейся ыезду колесом и рельсом.

При анализе выражений (I) и (2) установлено, что они показывают увеличение энергии с ростом контактной нагрузки, скорости относительного скольжения, коэффициента трения. Такие к росту значений энергии приводит и увеличение размеров диаметра колеса локомотива, но в меньшей степени. По мере эксплуатации локомотивов и рельсов контактная площадка мекду ними увеличивается, что, в свою очередь, ведет к снижению уровня выделяемой в контакте ■ энергии. Для оценки изменения площади пятна контакта между колесом и рельсом в эксплуатации было- проведено эксперементальное определение размеров контакта на тепловозе ТЭП80-0002 до и после его эксплуатационных испытаний, показавшие хорошую сопоставимость расчетных и экспереыентальных-значений;

Бо время движения локомотива колесная пара имеет извилистую ' траекторию. Шраметры этого движения - частоту и длину волны виляния в первом приближения можно определить из известных зависимостей,' сЕЯзывалцих коничзость йандажа, радиус круга катания, расстояния ыевду опорными точками бандажей, число колесных пар в тележке в расстояние ыевд7 ними; Амплитуду этих колебаний ограничивает величина зааора между колесной парой и колеей.

При исследованиях изменения коэффициента трения по ширине головки рельса, выполненных Дузновкм Ю.Ы. и повторенных автором с целхзо уточнения характера изменения, установлено, что коэйри-

»

циент трения изменяется в широком диапазоне и характер изменения коэффициента трения от поперечной, относительно оси пути, координаты может носить нелинейный характер. Проведение этих испытаний установило, что в реальных условиях эксплуатации локомотива еще одной причиной изменения значений коэффициента трения в контакте колеса и рельса является извилистое движение пятна контакта по поверхности рельса с нестабильными значениями коэффициента трения.

Из-за того, что при вилянии экипажной части в контакт колеса и рельса попадают участки с разным фрикционным состоянием, будут меняться и значения энергии, выделяемой в этом контакте. При этом с увеличением относительной скорости скольжения 'возрастает абсолютные значения и амплитуда выделяемой энергии, а у колес с меньшей коничностью поверхности катания наблюдается меньшая частота изменения коэффициента трения в контакте и наоборот.

Для оценки модности, расходуемой силами фрикционного взаимодействия контактирувЩЕйс поверхностей, используем значения энергии, подсчитанные по выражениям (I) и (2).Эти значения энергии достигают величин 30-40 Дж на одно колесо при относительной скорости скольжения ££«= 4 - &%, = 0,3, нагрузке от колесной пары на рельс N =22,5 го л взаимодействии новых профилей колеса и рельса ( Ап = 1,77 КГ^м2 ). С приработкой профилей колеса и рельса до площади контакта я? 3,56 • 1СГэти значения уменьшатся при(соответствующих значениях скорости скольжения до 17 - 23 Да. Значения мощности сил фрикционного взаимодействия, например, при тех же усяозиях достигают величины 25 - 40 кВт при скорости УЗЗ = 75 км/ч и находятся з прямой зависимости от скоростей сколкгення и движения, коэффициента трения и с увеличением их растут. Проведенные изучения зависимости мощности от радиуса колеса п площади контакта показали, что значение мощности

- 14 - '

■ 1

не зазясят ни от радиуса колеса, ни от размера площадки контакта.

В третьей главе рассматривается влияние температурных факторов на характер фрикционного взаимодействия колес локомотивов и рельсов, происходящего под действием больших удельных нагрузок 4..Л0-Ю8 Па и на маленьких контактных площадях ( 1,5 ... 4-Ю-4 и** ), что приводит к высокой концентрации энергии, вызывающей в свою очередь повышение температуры. Для расчета значений температуры на взаимодействующих поверхностях колеса и рельса было использовано известное выражение:

8 - (3)

где \AZj- работа сил трения;

£ - эффективная толщина элемента пары трения, участвующая1 в теплопоглощении; <ЛТп- коэффициент распределения тепловых потоков; Л - теплопроводность; "¿у- время трения фрикционной пары; • А - площадь контакта колеса ж рельса; безразмерные координаты; . Го - число Фурье. '

После некоторых преобразований выполненйых автором.с учетом Еырагений (I) и (2) и коэффициента КЕтр,2меем:

' в- (Л) где-- ^ч- коэффициент трения;

Ццг- скорость скольжения в контакте; • С(1 - коэффициент температуропроводности; 2а- длина пятна контакта;

скорость движения локомотива. Из выражения (4) можно определить значения температуры 0 з зависимости от входнпшх в него параметров, К увеличению теше-

сатуры ведет рост значений U-cx. J1 и ^ • Увеличение пятна контакта Д приводит к снижению температуры между колесом и рельсом, так как уменьшается плотность выделяемой энергии (энергии на единицу площади ) и значение напряжения в контакте. Изменение осевой нагрузки также увеличивает значения температур з контакте, но в меньшей степени. Изменения же диаметра колеса в диапазоне 1,05...1,35 м от значения 1,22 и в большую пли меньшую стороны вызывает соответствующее изменение температуры только на 2 - 3%. Это незначительное влияние объясняется полученной автором с помощью выражений (I), (2) и (4) зависимостью между радиусом колеса и температурой в контакте

Для оценки полученных значений температуры в контакте колеса и рельса были проведены испытания на фрикщгонную теплостойкость, позволившие оценить работоспособность исследуемых поверхностей колеса и рельса и изменение износостойкости и коэффициента трения. При натурных испытаниях электровоза В5-8, выполненных под руководством Кондратенко С.А. на Северо-Кавказской железной дороге обнаружено, что с повышением температуры в контакте до 250 - 300°С значения коэффициента трения Увеличиваются и достигают своего максимального значения, превышающего 0,4, при температурах з районе 400°С. При этом, чем лучше псходяоз фракционное состояние, тем на меньшую величину увеличится eau коэффициент'

трения. 1

«

При лабораторных исследованиях.на фрикционную теплостойкость имитировались изменения поверти алий структуры з пара трения "колесо - рельс". Эти испытания проводили на универсальной машине трения УМТ-З. Экспериментальные результаты,полученные rrpz ззаимодэйствпи чистых поверхностей,показали, что снижение коэффициента трения происходит до температуры примерно 400°С, после

- 16 -. '

этого имеется некоторый участок, на котором значения коэффициента трения меняются, незначительно, а уже с температур около 550° С значения коэффициента трения увеличиваются.

Значения коэффициентов трения, полученные в эксплуатации на электровозе М-8 и в лабораторных условиях,совпадают при температурах 400 - 500°С. Это объясняется тем, что под действием выделяемой энергии в контакте в реальных условиях происходит превращение и удаление поверхностных загрязнений, которые присутствуют на взаимодействующих поверхностях колеса и рельса.

В процессе эксплуатации тягового подвижного состава наблюдается износ.взаимодействующих поверхностей колес локомотивов и рельсов. Для изучения интенсивности линейного изнашивания в работе поставлен эксперимент, перед которым были смоделированы его условия. Шло обнаружено, что повышение напряжения в контакте способствует некоторому увеличению износа. С ростом скорости скольжения наблюдается и рост интенсивности изнашивания, после чего с последующим ростом скольжения интенсивность изнашивания уменьшается как у бандажа, так и у рельса. Это объясняется тем,что.повышение в результате трения температуры изменяет свойства поверх- • постных слоев-, ; 'меняя их механические характеристики, уменьшая скорость, разрыхления поверхностей взаимодействующих тел, при этом уменьшается ыассоотделение с поверхности.

'Для определения рационального, относительно износа поверхностей колеса и рельса, уровня скольжения были установлены расчетным щ^гем из выражения ( 4 ) значения температур, при которых этот износ будет минимальным. Для этого были специально проведены испытания по изучению изменения интенсивности изнашивания от температуры в контакте, повышающейся из-за скольжения. В этом эксперименте было обнаружено, что с увеличертем температуры до 300°с для рельса и 400°С для колеса интенсивность изнашивания

уменьшается, затем начинается ее увеличение. Сопоставляя результата, полученные в этом эксперименте при температурах 30С-400°С, с исследованиями на фрикционную теплостойкость, было обнаружено, что значения температуры 300-400°С соответствует значениям коэффициента трения р. = 0,4 и более.

Приятия во внимание вышеизложенное и используя выражение (4), была решена обратная задача - определена потребная скорость скольжения з зависимости от параметров контакта, нагрузки з контакте, скорости движения и скольжения, проанализировано влияние на нее коэффициента трения,диаметра колеса. Зная вышеперечисленные параметры и установленную) автором зависимость между ними, можно прогнозировать необходимую скорость сколзяения в контакте колеса и рельса во время движения локомотива.

В четвертой главе изложены результаты поисков и разработки конструкций новых устройств: для оценки фрикционного состояния колёс локомотива в эксплуатационных условиях - специальных прибое:? ров - трибометров. В основе измерения уже существующими приборами лежит принцип соотношевя касательной шоршльной нагрузок, которые определяют коэффициент трения . Нормальная нагрузка в этих приборах обеспечивается весом самого прибор! или дополнительных грузов.' Касательная нагрузка определяется! по углу закручивания спиральной пружины (а.с.Л 182302 ) или по прогибу упругой балки с тензодатчикамз (а.с.Л 492412,). Основным недостатком этих урт- • роЁсхз является невозможность проведения; измерений фрикционного состояния поверхностей во время движения локомотива.

Для устранения этого недостатка было спроектировано.устройство по а.с. Ш426880. Рабочим органом здегь является ролик, определение касательной силы происходит за счет измерения деформации упругой тензобалки, а нормальная нагрузка определяется второй упругой танзобалкой. В процессе испытаний было установлено, что

периодические колебания упругой тензобалки, обеспечивающей нормальную нагрузку отрицательно сказываются на точности измерений. По этой причине после ряда конструктивных проработок, и экспериментов был спроектирован и изготовлен трибометр усовершенствованной конструкции, крепящейся для исключения колебаний нормальной нагрузки в контакте к буксе колесной пары, оборудованной двумя электромагнитами, обеспечивающими с помощью системы управления замерами автоматическое включение и выключение устройства при измерении ж установку времени замера оператором. Нормальная нагрузка обеспечивается предварительно оттарированной пружиной.

Конструкция этого устройства после переналадки позволяет производить измерения коэффициента трения на гребне колеса локомотива.

В пятой главе представлены результаты экспериментального исрледования фрикционного состояния поверхностей трения колес локомотива во время эксплуатационных испытаний тепловоза ТЗП80-0002 ка Октябрьской железной дороге,- при которых использовалось устройство по а.с. & 1426880.

Для оперативной оценки фрикционного состояния пути были определены наличие и вид связи между значениями коэффициентов трения на рельсовом пути и колесе, при этом применялись рельсовый трибометр Р-542 (а.с. й 4922412 ) и вышеупомянутое устройство. 'Для выполнения этой задачи был проведен отдельный эксперимент, который заключался в измерении на определенном участке пути рель-ссвыы трибоыетром коэффициента трения. После чего по этому участку проезжал .локомотив со .включенным устройством. Заезды проводились при различных погодных условиях в разное врзадя суток. Полученные экспериментальные данные позволияи получить коэффициент корреляции= 0,932 и следующее уравнение регрессии:

■ 0,876834^¿р + 0,065680,

' - 19 -

I ,

Опытные поездки по изучения фрикционного состояния проводились з разных погсднпх условиях и з разное время суток. Отдельные результаты этих экспериментов приводятся з таблице I.

Таблица I.

опыта иогодше условия, состояни Фрикционное :е т Л,

а В т Вечер, 2200-2300, сухо,ветер 0,44 0,24 0,34

а >3 2 м « 0,42 0,28 0,36

з }'г 3 -"- на сельсах сказка, 0,27 0,15 0,22

подается под колеса песок

б i Утро. 900-ПС0, беззетренно.

моросит дождь 0,21 0,08 . 0,15

б >р с Утро, 900-ПС0, под колеса

подается песок 0,33 0,13 0,26

б 1о 6 Исходное состояние (б I) 0,27 0,0В 0,17

в Й i Утро, 930-1030, пасмурно,после

дождя* 0,26 0,14 0,21

в й- 2 II — 0,29 0,14 0,23

в }е 3 _II_ 0,35 0,20 0,30

г г. i Ут~о, 10°°-1100, пасмурно, после 0,41' 0,27 0,35

дождя, под колеса подаётся песок

г 2 п _тт 0,43 0,23 0,43

г 'г 5 _н_ —"* ' 0,46 0,39 0,45

д i День, 1300-1400, солнечно,ветер1 0,47 0,40 0,45

д й 2 ' 1 0,47 0,30 0,44

д 3 Начинается дожзь ! 0,27 0,15 С, 21

е 5 i День, 1400-1500, после деггдя,

колеса очипаится тормозными

колодками 0,46 0,43 С, 45

е »5 4 _ 0,47 О " ^ и,оо 0,40

е й 5 _п 0,46 0,45 0,45

В двух первых поездках опыта "а", как епдно из табпцн, наблюдались довольно высокие значения коагфиппентоэ трения. Перед третьей поездкой на рельсы нанесли тонкий слой смазки СНГ, а л время движения, чтобы локомотив не сорвался в бохсог-зние и не повредил поверхности круга катания, под'колеса непрерывно яода-

вали песок.

При опытах "б" шел дождь,что сказывалось на полученных значениях коэффициента трения.Во время этих поездок наблюдалась пробоксовка колесных пар. Только во время пятой поездки подавали песок,что сказалось на увеличении коэффициента трения. В поездках "г" под колеса постоянно подавался песок,что,как видно из таблицы, ■ привело к значительному улучшению фрикционного состояния,характеризуемому значениями коэффициента трения.

При опытных поезках была также поставлена задача оценить устройство и при условиях,когда происходит снижение коэффициента - трения,что было сделано при поездках опыта "д". Кз таблицы видно,что измеренные значения коэффициента трения хорошо отражают и ухудшение фрикционного состояния при изменении погодных условий.

При движении локомотива часто,в силу специфики работы,производят торможение,что приводит к очистке поверхностей трения колес локомотива.Подтормаживание,производимое в поездках опыта "в"»позволило повысить значение коэффициентов трения.

Результаты опытных поездок по изучению коэффициента трения, во время движения локомотива позволяют сделать вывод о влиянии погодных условий на фрикционное состояние и в конечном счете--на 'значение коэффициента трения и о возможности лртзененгя устройства для измерения коэффициента трения колес докомотива для

количественной оценки фрикционного состояния.

< _

Кроме этого,показана возможность получения в контакте.колеса и рельса при традиционных методах воздействия .таких как подача песка.на рельсы и очистка подтормаживали ем поверхностей трения колес,значений коэффициентов трения равных 0,4 ... 0,45.

• «

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. При анализе ранее выполненных работ и исследований, проводившихся з эксплуатационных условиях и на специальных стендах,установлено, что вертикальная нагрузка в контакте.колеса и рельса, скорости скольжения колесной пары, поверхностные загрязнения бандажа и рельса, влажность приповерхностных слоев воздуха, теплофи-зические процессы в контакте в большой степени определял? уро- • вень реализуемого сцепления, силу тяги и режим ведения поезда.

2. Известные методы контроля фрикционного состояния колес и рельсов позволяют производить измерения коэффициента, трения только на отдельных, небольшой протяженности, участках рельсового пути, либо на колесах локомотива во время его стоянки, что явно недостаточно для оценки и изучения условий взаимодействия колеса

и рельса во время движения локомотива по длительному участку пути.

3. Аналитические и экспериментальные исследования,проведенные в работе и выполненные в эксплуатационных и лабораторных условиях,, показали влияние скольжения колес, площади контакта и сзилахщих нагрузок на плотность энергии, выделяющейся во фрикционном контактер на изменение фрикционных свойств трущихся тел.

4. При изучении выделяемой-в контакте колес и рельса энергии получена зависимость,согласно которой величина оперглл зсменяогся пропорционально значениям коэффициента трения з контакте, нормального напряжения и размерам пятна контакта. Рост загрузки колеса на рельс ведет к увеличению выделяемой в контакте энергии^ "

- нагрузки,

2ак, прь ' ( измененплУТГТЗ тс до 22,5 тс значения энергия увези-, чизаются примерно на 33%, а при росте нагрузки с 22,5 тс до 27 со -- на 27». Но это происходит при взаимодействии поверхностей с новыми профшшмп колеса з релвса. С увеличением пятна контакта темп роста энергии незначительно увеличивается, соответственно

- 22 - , на 38 - 40/5 и 30 - 31%^

Увеличение диаметра колеса также увеличивает значение выделяемой энергии, но в меньшей степени. При изменении диаметра с 1,05 м до 1,22 -м энергия возрастает на 7 - 85?, а при увеличении с 1,22 и. до 1,35 м - на 5 - 6%. Темш такого роста не зависят от размеров пятна контакта.

С приработкой профилей - увеличением площади контакта между колесом и рельсом, значения выделяемой энергии уменьшаются во всем исследованном диапазоне нагрузок ( 18 ...27 тс ) и диаметров колес ( 1,05 ... 1,35 м ).

5. Совместное изучение характера изменения по ширине головки рельса коэффициента трения и траектории извилистого движения апилака в рельсовой колее установило, что движение пятна контакта колеса по поверхности рельса с разными фрикционными характеристиками является еще одной из причин нестабильных значений коэффициента трения в контакте между колесом и рельсом.

6.При оценке мощности, расходуемой силами фрикционного взаимодействия в контакте колеса и рельса,установлено, что ее величина, кроме увеличения по мэре роста значений энергии, выделяе--мо£ в контакте, растет пропорционально скорости движения локомотива, .относительной скорости скольжения и коэффициенту треЕпя,

но не зависит ни от радиуса колеса> ни от площади контакта.

7. При изучении изменения температуры в контакте колеса и рельса установлена ее зависимость от ряда факторов, определяющих условия взаимодействия колеса и рельса. Установлено, что наибольшасзлияние на рост температур оказывают увеличение скорости скольжения в контакте и'движения локомотива, увеличение коэффициента трения и рост, нагрузки от колеса на рельс. С увеличением площади контакта значение температур уменьшается. Это

.^здсзяого» уменьшением плотности энергии ( энергии на единицу

Ирг. изучен:::: влияния раглероз колеса лококоттза па значения температуры з контакте обнаружено, что изменения диаметра от 1,22л до 1,05 ы или до 1,35 м практически не сказывается на величине температуры, которая соответственно уменьшается или увеличиваемся всего на 2 - 3?, при этом установлена следующая зависимость температуры 0 от оадиуса колеса Йк

8. Поп изучении фрикционной теплостойкости пары колесо-рельс обнаружено, что снижение коэффициента трения происходит примерно до температур в 400°С, при температурах около 550°С начинается снова рост значений коэффициента трения. Этп р-ззулзтатн хорошо совпадав!! с данными. подученнк::п в эксплуатаппонкнг условиях с реальными! позерхностнкмп загрязнениями при температурах

з 4С0 - 500°С, что объясняется разрушением п удаление!.! этих загрязнений.

9. При исследовании характера интенсивности линейного износа поверхностей колеса и рельса установлено, что с увеличение:.! температуры до 300°С для рельса и 400°С для колеса интенсивность изнашивания уменьшается, а после некоторого минимума - снова начинает расти. !

10. Полученные значения температур в контакте колеса и рельса, при которых отмечено увеличения значений коэффициента трс-

I _

нпя и снижение износа взапмодейстзгЕппх поверхностей, позволили определить скорости скольжения, при которых наблщдазтея зти условия взаимодействия, в зависимости от скорости движения, фрикционного состояния, нагрузки от колеса на р?льс, размеров пятка контакта.

11. Установлено, что снижение скорости скольжения происходит с увеличением скорости движения локомотива, з также с увеличением значений коэффициентов трения, так как в этом случае требуется сравнительно меньшее количество энергии для улучшения фрикционного состояния. Также установлено, что в процессе приработки профилей колеса и рельса значения скоростей скольжения возрастают, что происходит из-за снижения плотности энергетического потока.Изменение диаметра колеса в исследуемом диапазоне

(I,05..Л,35) практически не влияет нз изменения скорости скольжения, так как здесь наблюдается такая же закономерность, что :: при изменении температуры в контакте от диаметра колеса.

12. Проведенные исследования и полученные зависимости, устанавливавшее связи между факторами, определяющими условия передачи силы тяги между колесом и рельсом, доеволяют определить и использовать режимы зозаимодействия колеса и рельса с увеличенными значениями коэффициентов трения и снижением износа взаимодействующих поверхностей колеса и рельса. Это можно достичь применением специального устройства для измерения коэффициента трения при движении локомотива, включенного в систему анализа и регулирования • скорости скольжения, изменение которой при движении локомотива

е' позволяет получить необходимые условия взаимодействия колеса и рельса.-

Публикации.

*

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

I. Ложное Ю.М., Митрофанов А.Н., Флячинский К.П. Резервы ецзплзния колес с рзльезш л пути его использования. /Создание и техническое обслуживание локомотивов большой мощности /.Тез. докл.Всесоазн.каучн.-технконф.Ворошиловград, 1985 г. - с.128..

ч ► - 25 -

2. „Тужноз К.1.1., Седорова К.",:., '^лячинскп:! К.П., Кондратенко С. А. Влияние нсррознснно-ме:~с:ческпх процессов на тренде тзердых тол яр:: работе мазпн в условия:! псвыгенпсй влажности воздуха :: температуры./ Обеспечение надежности узлов трения i/.snrr:. Тез. докл.Всесоюзн.научно-техн.кснф..Ворошиловград, 1938, - с.166.

3. Лужков С.'.'., Ненов В. А., К.П. Устройство для измерения коэффициента трения колеса рельсового транспортного • средства. A.c. 2 I4258C0. S.U. .'5 33, 30.09.88.

4. ФлэтенсзпЗ К.П., Дужюз ЬЭ. ГЛ., Кондратенко С. А., Аргасова Е.Л. Определение величины энергии, выделяемой в контакте колеса локомотива п рельса. /Проблемы развития локомотпзостроения.

Тез. докл.3оессвзн.научно-тегп.ког5., Дуганск, 1990- с. 79.

М-

Подписано к печати П.05.93

Форма? бумаги 60 х 90 1/16 Объем 1,5 п.л.

Заказ 230 Тира* 100 экз.

Типография ВККЖТ. 3-я !.:ытищ;нская ул.,д. 10