Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 15
1.1. Вопросы транспортирования горной массы в условиях открытых горных работ и перспективы развития карьерного железнодорожного транспорта.. 15
1.2. Эффективность применения железнодорожного транспорта в условиях открытых горных работ 19
1.3. Анализ исследований в области взаимодействия системы колесо -рельс 27
1.4. Современные представления о факторах, влияющих на формирование тягового усилия в зоне контакта колеса локомотива с рельсом 35
1.5. Цель и задачи исследований 58
2. Основные факторы, влияющие на формирование тяговой способности системы колесо - рельс карьерных локомотивов 62
2.1. Исследование процесса трогания с места состава для определения па раметров регулируемого режима пуска локомотива 62
2.1.1. Влияние режима пуска локомотива на реализуемый коэффициент сцепления системы колесо - рельс 62
2.1.2. Определение математической зависимости изменения относительного тягового коэффициента локомотива в процессе пуска 63
2.1.3. Определение зависимости коэффициента сцепления от скорости при регулируемом пуске 73
2.1.4. Определение зависимости времени пуска карьерного локомотивосо-става от исходных параметров 78
2.1.5. Пример расчета времени пуска состава при движении по капитальной выездной траншее промышленного карьера 81
2.2. Влияние неравномерности распределения сцепной массы по колесным парам карьерного локомотива на его тяговую способность на прямых и криволи нейных участках з
Выводы по главе 2 91
3. Определение рациональных значений шероховатости контактирующих поверхностей и расчет фактической площади контакта бандажа колеса локомотива с рельсом 92
3.1. Определение характеристик контактного взаимодействия рабочих поверхностей системы колесо-рельс карьерных локомотивов с учетом их шероховатости 92
3.2. Расчет фактической площади контакта бандажа локомотива с рельсом для новых профилей 99
3.3. Расчет фактической площади контакта для приработанных профилей бандажа колеса и рельса 103
3.4. Расчет фактической площади контакта при пластической деформации обработанных после приработки профилей бандажа и рельса карьерного железнодорожного транспорта 109
3.5. Определение рациональных значений коэффициентов трения и шероховатостей рабочих поверхностей бандажа колеса и рельса 112
3.6. Связь коэффициента сцепления с коэффициентом трения 119
Выводы пот главе 3 125
4. Влияние температурных факторов на характер взаимодействия с рельсами колесных пар карьерных локомотивов 127
4.1. Энергетические аспекты процесса изнашивания контактирующих поверхностей системы колесо - рельс 127
4.2. Влияние состава дисперсных загрязнений открытых разработок в зоне контакта системы колесо-рельс на изменения механических свойств их поверхностей трения 131
4.3. Тепловые процессы в зоне контакта колеса локомотива с рельсом и их влияние на тяговую способность локомотива и интенсивность износа взаимодействующих поверхностей 138 4.4. Влияние уклона рельсового пути на температуру в зоне контакта коле
са карьерного локомотива с рельсом 144
Выводы по главе 4 154
5. Условия обеспечения конформного контакта системы колесо - рельс карьерного железнодорожного транспорта .156
5.1. Схема образования зазора S в условиях одноточечного контакта и зазора А в условиях двухточечного гребневого контакта 156
5.2. Математическая интерпретация условий обеспечения конформного контакта системы колесо - рельс карьерного железнодорожного транспорта... 160
5.3. Зависимость радиуса кривизны рабочих поверхностей головки рельса от геометрических параметров рабочих поверхностей системы колесо - рельс, обеспечивающих конформный контакт в карьерных условиях эксплуатации 163
Выводы по главе 5 165
6. Экспериментальные исследования процесса пробуксовки колес карьерного локомотива в условиях эксплуатации 167
6.1. Методика экспериментальных исследований. Измерительная и регистрирующая аппаратура 167
6.2. Методика определения скорости проскальзывания колесных пар локомотива относительно рельса 174
6.3. Результаты статистической обработки осциллограмм скоростей движения локомотива 184
Выводы по главе 6 186
7. Установление основных факторов, имеющих определяющее значение для формирования характеристик сцепления системы колесо - рельс 187
7.1. Влияние режима пуска тяговую способность карьерного локомотива 187
7.2. Регулирование положения центра масс карьерного локомотива для повышения коэффициента использования сцепного веса 189 7.3. Влияние фактической площади контакта пары колесо - рельс на коэффициент сцепления 190
7.4. Особенности взаимодействия пары колесо - рельс в зимний период в условиях открытых разработок 192
7.5. Устранение пробуксовки колесных пар локомотива за счет своевременного обнаружения начала процесса буксования и подачи песка под буксующую колесную пару 193
7.6. Влияние температуры в зоне контакта пары колесо - рельс и поверхностных загрязнений на тяговую способность карьерного локомотива 195
7.7. Рациональные значения коэффициентов трения и шероховатостей рабочих поверхностей рельсов и бандажей локомотивов 196
7.8. Минимизация расхода песка при движении локомотива на криволинейных участках пути 198
7.9. Определение эффективности предлагаемых технических решений...2 7.9.1. Сокращение затрат на транспортировку из забоя горной массы за счет применения математической модели рационального пуска локомотивосо-става 201
7.9.2. Устранение разгрузки колесных пар локомотива 201
7.9.3. Реализация конформного контакта при взаимодействии системы колесо-рельс 202
7.9.4. Особенности взаимодействия пары колесо - рельс в зимний период в условиях открытых разработок 202
Выводы по главе 7 203
Заключение 204
Список литературы 208
- Эффективность применения железнодорожного транспорта в условиях открытых горных работ
- Пример расчета времени пуска состава при движении по капитальной выездной траншее промышленного карьера
- Расчет фактической площади контакта при пластической деформации обработанных после приработки профилей бандажа и рельса карьерного железнодорожного транспорта
- Влияние состава дисперсных загрязнений открытых разработок в зоне контакта системы колесо-рельс на изменения механических свойств их поверхностей трения
Введение к работе
Актуальность работы. Определяющим направлением развития горной промышленности на обозримую перспективу считается стабильная ориентация на открытый способ разработки, как обеспечивающий наилучшие экономические показатели. В России открытым способом добывается 91 % железных руд, более 70 % руд цветных металлов, более 60 % угля.
Эффективность работы железнодорожного транспорта в условиях открытых горных работ определяется тяговой способностью локомотивов, на которую влияет много факторов и в первую очередь коэффициент сцепления бандажей колесных пар карьерных локомотивов с рельсами, который зависит от различных факторов, прежде всего от условий эксплуатации. К ним относятся: повышенная загрязненность рабочих поверхностей и повышенные уклоны рельсовых путей до 60 %о, а также малые радиусы закруглений рельсового пути, минимальная величина которых находится в пределах 40 - 60 м; наличие значительного количества криволинейных участков карьерных путей радиусом 100 - 200 м; применение старогодных рельсов, снятых с эксплуатации в системе РЖД; наличие передвижных рельсовых путей и, как правило, наличие неполноценного балластного основания или его полное отсутствие.
До настоящего времени не исследовано влияние процесса пуска при трога-нии карьерного локомотивосостава на изменение коэффициента сцепления. Не рассмотрено влияние смещения центра масс карьерного локомотива при движении по уклону на его тяговую способность. Кроме того, на карьерном железнодорожном транспорте отсутствует непрерывный мониторинг процесса пробуксовки колесных пар локомотивов, являющийся важным фактором их тяговой способности.
В связи с вышеизложенным, развитие теории взаимодействия и обоснование рациональных параметров системы колесо - рельс карьерных локомотивов в режиме тяги является актуальной научной проблемой, которая решается в диссертации.
Цель работы: развитие теории взаимодействия системы колесо - рельс карьерных локомотивов в режиме тяги, обеспечивающее повышение их тяговой способности.
Задачи исследований:
-
Определить характеристики процесса пуска карьерного локомотива с учетом рационального изменения кинематических параметров, влияющих на реализацию наибольшего коэффициента сцепления в момент завершения пуска.
-
Установить влияние неравномерности распределения сцепной массы локомотива на его тяговую способность в условиях открытых горных работ.
-
Исследовать влияние состава дисперсных загрязнений рабочих поверхностей рельсов на эксплуатационные характеристики локомотивов в условиях открытых горных работ.
-
Исследовать влияние изменения температуры в зоне контакта колеса локомотива с рельсом на характеристики их взаимодействия.
-
Исследовать влияние пробуксовки колесных пар локомотивов в режиме тяги на тяговую способность локомотива.
-
Установить зависимости между геометрическими параметрами рабочих поверхностей системы колесо - рельс, обеспечивающих конформный контакт в карьерных условиях эксплуатации.
-
Определить рациональную шероховатость рабочих поверхностей пары колесо - рельс, обеспечивающую увеличенный срок ее эффективной эксплуатации.
Научная новизна исследований заключается в следующих результатах:
введено понятие - «относительный тяговый коэффициент», представляющий собой отношение текущего значения тягового усилия локомотива в процессе пуска к его предельному значению по условиям сцепления в конце пуска, позволяющий для каждого веса локомотивосостава с учетом характеристик рельсового пути выбрать рациональный режим пуска;
разработана математическая модель процесса регулируемого пуска локомотивосостава, учитывающая характер изменения набора его скорости движения в реальных условиях эксплуатации;
установлено, что тяговая способность карьерного локомотива при его движении вверх в голове состава увеличивается пропорционально принудительному смещению его центра тяжести по ходу движения относительно его геометрического центра масс;
получены математические зависимости радиуса кривизны рабочей поверхности головки рельса при одноточечном и двухточечном контактах с колесом локомотива от геометрических параметров пятна контакта системы колесо - рельс (радиуса профиля колеса, зазором между бандажом колеса и рельсом и полушириной дорожки катания);
введены понятия коэффициента влияния горных условий Кту и температурного коэффициента уклона ку для оценки величины температуры в зоне контакта пары колесо - рельс карьерного железнодорожного транспорта;
установлена рациональная шероховатость рабочих поверхностей рельсов карьерного железнодорожного транспорта, равная Rz= 20... 40 (класс чистоты V5 -V4), позволяющая сократить время приработки контактирующих поверхностей и увеличить ресурс эффективной эксплуатации.
Методология и методы исследований. При выполнении диссертационной работы применялись основные положения теории локомотивной тяги с учетом специфических условий работы карьерного железнодорожного транспорта, экспериментальные исследования основных параметров, влияющих на тяговую способность локомотива, методы математической статистики, математического и масштабного моделирования на стендах и действующих физических моделях оборудования с применением компьютерной техники.
Теоретическая значимость (научное значение) диссертационной работы заключается:
в разработке математической модели процесса регулируемого пуска ло-комотивосостава, обеспечивающей наибольший коэффициент сцепления при завершении процесса пуска карьерного локомотивосостава;
установлении математических зависимостей, обеспечивающих конформный контакт системы колесо - рельс при движении локомотива на прямолинейных и криволинейных участках рельсового пути;
установлении температурного порога и обосновании рациональной шероховатости взаимодействующих поверхностей в зоне контакта пары колесо -рельс;
разработке научных основ создания систем автоматического пуска с использованием разработанной математической модели, обеспечивающей обоснованные рациональные параметры системы колесо - рельс для модернизации и освоения выпуска новых типов карьерных локомотивов.
Практическая значимость работы заключается:
в разработке методики выбора эксплуатационных характеристик работы локомотива в условиях открытых горных работ;
разработке способа и устройства для своевременного обнаружения начала процесса пробуксовки колесных пар локомотива и устройства для его реализации (патент № 2489286, Бюл. № 22 от 10.08.2013);
разработке рекомендаций по выбору геометрических параметров конформных профилей поверхностей катания колесных бандажей локомотивов и рабочих поверхностей головок рельсов;
разработке рекомендаций по улучшению условий взаимодействия колес локомотивов со старогодными рельсами в условиях открытых работ (восстановление геометрических параметров рабочих поверхностей рельсов шлифованием или строганием);
в возможности разработки технических требований на систему автоматического регулируемого пуска карьерного железнодорожного транспорта, обеспечивающую максимальные (приближенные к оптимальным) значения коэффициентов сцепления;
разработке рекомендаций по выбору оптимальной шероховатости рабочих поверхностей рельсов карьерного железнодорожного транспорта, равной от ^ = 20до^ = 40(мкм);
разработке рекомендаций по повышению коэффициента сцепления в зимний период путем подачи нагретого песка в зону контакта колеса локомотива с рельсом (патент № 2504492, Бюл. № 2 от 20.01.2014);
разработке рекомендаций по экономичному использованию песка и повышению коэффициента сцепления при движении на криволинейных участках рельсового пути, путем его направленной подачи в зону контакта (патент № 2502623, Бюл. № 36 от 27.12.2013);
результаты проведенных исследований, в зависимости от области интересов, приняты к использованию на предприятиях ОАО «Ураласбест», ООО «ЗУМК-Инжиниринг» и в учебных процессах кафедр «Электрификация и энер-
гоэффективность горных предприятий», «Технология машиностроения и ремонта горных машин» НИТУ «МИСиС».
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель процесса регулируемого пуска карьерного ло-комотивосостава, позволяющая установить закон изменения относительного тягового коэффициента (ОТК) от относительного времени пуска (ОВП), аппроксимирующаяся экспоненциальными зависимостями, при которых обеспечивается максимальный коэффициент сцепления, допускаемый условиями эксплуатации, после завершения процесса пуска, при этом 50 % ОТК реализуется в течение 23 % от ОВП с момента начала движения.
-
Тяговая способность карьерного локомотива при его движении по уклону вверх в голове состава увеличивается пропорционально смещению центра тяжести локомотива по ходу движения относительно его геометрического центра масс, а величина смещения пропорциональна уклону выездной траншеи, высоте расположения центра тяжести локомотива и оси его автосцепки над рельсами
-
Рациональная шероховатость ^рабочих поверхностей рельсов выездной траншеи, рассчитанная по разработанной методике, равная от 20 до 40 мкм, обеспечивает сокращение времени приработки при возможном увеличении ресурса работы системы колесо - рельс с соблюдением необходимого значения коэффициента трения при эксплуатации в режиме тяги.
-
Определение рациональных параметров взаимодействия системы колесо - рельс должно осуществляться с учетом температурного порога до 300 С в зоне их контакта, рассчитанного с учетом эксплуатации в условиях открытых горных работ, превышение которого приведет к деструктивным изменениям поверхностных слоев контактирующих пар трения.
-
Математические зависимости между геометрическими параметрами взаимодействующих поверхностей системы колесо - рельс, обеспечивающими конформный контакт профилей бандажей колес локомотивов с рельсами на прямолинейных и криволинейных участках пути, позволяют улучшить характеристику сцепления и увеличить тяговую способность локомотива путем увеличения фактической площади пятна контакта системы колесо - рельс.
Степень достоверности полученных результатов подтверждается:
корректным использованием научных методов исследований, включающих аналитические исследования с применением основополагающих положений теории упругости, аналитической геометрии, методов дифференциального и интегрального исчисления, теорий электрической и тепловозной тяги при исследовании процесса трогания и движения карьерного локомотивосостава;
адекватностью математических моделей процессу функционирования горных машин и использованию данных, полученных с доверительной вероятностью не менее 0,9 при величине относительной погрешности не более 0,1.
Соответствие паспорту специальности. Работа соответствует паспорту специальности 05.05.06 - «Горные машины» и отражает:
в формуле специальности: «...исследования, разработку, ...с целью создания новых и совершенствования существующих горных машин ..., обладающих повышенной производительностью (эффективностью), долговечностью...»;
в области исследований: 3 пункт «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы горных машин и оборудования и их элементов»;
в области смежных специальностей: 05.02.04 - «Трение и износ в машинах».
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации методики, рекомендации и новые подходы к исследованию процесса работы карьерных локомотивов в режиме тяги получили одобрение и приняты к внедрению:
- в производство: ГП «ЗУМК» (группа предприятий «Западно-Уральского
машиностроительного концерна» при формировании необходимых техниче
ских параметров горных машин для различных условий эксплуатации; ОАО
«Ураласбест» при определении расчетного коэффициента сцепления карьерных
тяговых средств для различных условий эксплуатации, а также при разработке
мероприятий по модернизации карьерных локомотивов, эксплуатируемых в
ОАО «Ураласбест»;
- в учебном процессе кафедр ТМР, ЭЭГП Горного института НИТУ
«МИСиС» при проведении лабораторных и практических занятий со студента
ми и магистрантами.
Личный вклад автора состоит в постановке и разработке основной идеи и темы работы, в анализе основных теоретических представлений о процессах, происходящих при фрикционном взаимодействии системы колесо - рельс карьерного железнодорожного транспорта; в разработке и испытании в реальных эксплуатационных условиях физической модели устройства для расследования процесса пробуксовки тяговых колес локомотива; в исследовании влияния шероховатости взаимодействующих поверхностей системы колесо - рельс и величины уклона рельсового пути на тяговую способность карьерного локомотива.
Апробация работы. Результаты работы, ее отдельные положения докладывались на международных и всероссийских конгрессах, конференциях и симпозиумах, в том числе: на Международной научно-практической конференции «Открытые горные работы в XXI веке» (Красноярск, 2011 г.), на Международной научно-практической конференции «Информационные технологии и системы в сфере делопроизводства» (Донецк, ДНУ, 2011, 2014 гг.); на научно-технической конференции «Трибология - машиностроению» (Москва, ИМАШ РАН им. А. А. Благонравова, 2010, 2012-2014 гг.); на Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении» (Москва, ИМАШ РАН, 2012 , 2014 гг.); на ежегодных Международных научно-технических конференциях «Чтения памяти В. Р. Кубачека» (Екатеринбург, УГГУ, 2013-2015 гг.); на Международной научно - практической конференции «Транспорт - 2014», (Ростов-на-Дону, 2014 г.); на ежегодных Международных симпозиумах МГГУ: «Неделя горняка» (Москва, 2009-2015 гг.», на научных семинарах кафедры «Теоретическая и прикладная механика» МГГУ
(2009-2014 гг.), на семинаре по программе «Методы оптимизации использования горной техники на ОГР в целях снижения энергозатрат на единицу добычи горной массы», проведенном в рамках Президентской программы повышения квалификации инженерных кадров, утвержденной Указом Президента РФ от 07.05.2012 г. № 594 (Москва, НИТУ «МИСиС», 2014 г.); научно-технической конференции «Математическое моделирование механических явлений» (Екатеринбург, УГГУ, 2015 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликована 31 научная работа, в том числе 15 работ в журналах, рецензируемых ВАК, получено 3 патента РФ, поданы 3 заявки на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, изложенных на 233 печатных страницах текста формата А4, 79 рисунков, 28 таблиц, списка использованной литературы из 189 наименований.
Эффективность применения железнодорожного транспорта в условиях открытых горных работ
Повышение производительности труда в горнорудной отрасли неразрывно связано с совершенствованием технических средств карьерного транспорта. Среди различных видов транспорта, используемых на горных предприятиях, особое место занимает железнодорожный транспорт. Им выполняется около 40 % общих объемов перевозок. Он является одним из экономичных, надежных и бесперебойно работающих видов транспорта в различных климатических условиях, в том числе в районах Крайнего Севера.
Современному этапу развития горнотранспортных машин, как в нашей стране, так и за рубежом, присуща тенденция к увеличению объемов перевозки горной массы рельсовым транспортом и, в частности, при использовании смешанных схем транспорта: железнодорожно-конвейерном, автомобильно-железнодорожном. Таким образом, рельсовый транспорт открытых горных разработок, являясь связующим зве 20 ном между процессами извлечения горной массы и ее переработкой, играет важную роль в общем комплексе добычи полезных ископаемых, а его технико-экономические показатели оказывают существенное влияние на работу всей горнотранспортной системы.
Одним из факторов, снижающих эффективность работы железнодорожного транспорта на карьерах, является обусловленный условиями эксплуатации непостоянный и низкий коэффициент сцепления колеса с рельсом, в связи с чем выездные траншеи имеют очень большую протяженность, поскольку угол подъема, как правило, не превышает 50..60 %о и поэтому с появлением на карьерах в последние десятилетия автосамосвалов грузоподъемностью от 150 до 220 т, намечается тенденция замены железнодорожного транспорта на автомобильный, преимуществом которого является его мобильность, удобство маневра и подача под погрузку к экскаватору, отсутствие необходимости переноса и изменения длины железнодорожных путей, а также применения вспомогательного оборудования для выполнения этих работ. Поэтому задачей повышения эффективности карьерного железнодорожного транспорта, с целью сохранения конкурентоспособности и расширения области его применения, является обеспечение стабильно высокого коэффициента сцепления колеса с рельсом, для движения на повышенных углах подъема, позволяющих сократить длину выездной траншеи, что даст возможность применять железнодорожный транспорт на сверхглубоких карьерах (с углом подъема до 80 %о).
Ближайшие десятилетия не только в России, но и в Мире в целом будут характеризоваться существенным ростом объемов добычи твердых полезных ископаемых. Российская территория, богатая полезными ресурсами, будет превращаться в мировой полигон горного дела, а Восточная Сибирь и Дальний Восток в XXI в. могут стать основной горной провинцией мира. Интенсификация горных работ на карьерах ведет к увеличению их глубины. С увеличением глубины карьеров усложняется вскрытие нижележащих горизонтов, и возрастают объемы вскрышных работ, увеличивается число транспортных горизонтов и возрастает длина автомобильных и железных дорог. В связи с этим ухудшаются технико 21 экономические показатели работы, в основном за счет снижения производительности основного горнотранспортного оборудования, поскольку расходы на перемещение горной массы в общей себестоимости добычи полезных ископаемых достигают 70 % , при этом производительность карьера и темп углубления горных работ снижаются [1].
Анализ современного состояния разработки месторождений открытым способом в станах СНГ убедительно свидетельствует о резком увеличении глубины действующих карьеров. В течение последних 35...40 лет карьеры большинства горно-обогатительных комбинатов (ГОКов) интенсивно развивались вширь и вглубь, сохранение этой тенденции в настоящее время привело к тому, что эксплуатационная глубина карьеров приближается к отметке 800 м и даже превышает ее.
Отработка карьеров ниже отметок 300 м с помощью автотранспорта представляет собой сложную техническую и экономическую проблему. Расчеты показывают, что при увеличении глубины карьера до 600 м расстояние перевозок по спиральному съезду с уклоном 80 %о увеличивается до 9-10 км, себестоимость перевозки 1 м3 горной массы возрастает в 3 раза, удельный расход дизельного топлива в 2 раза, производительность автосамосвалов снижается в 3,3 раза, а производительность труда транспортных рабочих в 3,2 раза. В качестве примера следует отметить, что автосамосвал тратит 60 % дизтоплива на перемещение самого себя и лишь 40 % - на доставку полезного груза [3, 26]. Кроме того на сверхглубоких карьерах наблюдается неудовлетворительная ситуация по загазованности, из-за чего простои некоторых карьеров достигают 1200... 1700 часов в год [4].
Анализ данных, приведенных в таблице, показал, что на многих карьерах, и в том числе - достаточно крупных, успешно применяется железнодорожный транспорт (как в качестве отдельного вида, а также - в комплексе с другими его видами). Следует отметить, что учитывая современные тенденции развития горнодобывающей промышленности, для каждого отдельно взятого карьера необходимо подобрать свой, подходящий для данных условий, тип транспорта, что от 22 мечено в сборнике ИГД УрО РАН «Проблемы карьерного транспорта» [Екатеринбург, 2013. С. 155-165]. Таким образом, можно констатировать, что универсальной панацеи для выбора типа карьерного транспорта в природе не существует.
Практика разработки карьеров показывает, что при выборе той или иной транспортно-технологической схемы доставки добытой горной массы на поверхность, необходимо учитывать уникальность каждого конкретного месторождения и предприятия, занимающегося разработкой запасов полезных ископаемых (при обеспечении соблюдения требований экологической безопасности).
Железнодорожный транспорт кроме экологических, также имеет ряд других преимуществ, таких как, например, отсутствие необходимости перегрузки транспортируемой горной массы, возможность выхода на магистральные железнодорожные пути для доставки продукции непосредственно потребителю, поскольку большегрузный транспорт на автодорогу общего пользования не выпускают.
Пример расчета времени пуска состава при движении по капитальной выездной траншее промышленного карьера
Для локомотивов, работающих в условиях карьеров при повышенных углах подъема рельсового пути и наличии передвижных рельсов, выбор режима пуска может иметь решающее значение для обеспечения наилучшего использования сцепления в наиболее тяжелом режиме работы локомотива - при трогании и пуске поезда, особенно, если это происходит при выезде из траншеи на руководящем подъеме. При трогании поезда, сформированного из вагонов, имеющих подшипники трения скольжения, возникает, особенно после длительной стоянки, повышенное сопротивление движению, обусловленное увеличением коэффициента трения в буксах вагонов из-за отсутствия масляной пленки между вкладышами и шейками подшипников. Это заметно сказывается в зимних условиях, при низких температурах окружающего воздуха, когда вязкость смазки увеличивается. Сопротивление движению при трогании зависит также от типа смазки, состояния ходовых частей, типа подшипников. Сопротивление при трогании подвижного состава, оборудованного роликовыми буксами, возрастает очень мало - примерно в 5 раз меньше, чем подвижного состава с подшипниками трения скольжения. В этом состоит одно из главных преимуществ роликовых подшипников.
В практике эксплуатации подвижного состава для повышения коэффициента сцепления используют кварцевый песок. Однако применение песка приводит к засорению рельсовых путей и увеличивает вероятность износа подвижных частей ходовой части локомотива. После прохождения локомотива песок, оставшийся на рельсах, создает дополнительное сопротивление движению поезда, достигающее 12 %, а песок, попавший на трущиеся детали пути и подвижного состава, способствует их более интенсивному абразивному износу [32]. Поэтому, вопрос обеспечения наибольших значений коэффициентов сцепления после завершения процесса пуска локомотива и снижение расхода песка является актуальным.
Для разработки систем автоматического пуска, обеспечивающих нормальные условия реализации силы сцепления локомотива важное значение имеют правильный выбор закона изменения силы тяги за время пуска локомотива, а также величина принятой максимальной силы тяги и характер её изменения в процессе движения состава.
Как известно процесс пуска обычно состоит из двух последовательных фаз. Сначала он осуществляется при постепенном увеличении силы тяги и нарастании ускорения, а затем сопровождается медленным увеличением или, по возможности, постоянным ускорением. Соотношение между длительностью этих фаз зависит от принятой системы пуска и в некоторых типах локомотивов сила тяги достигает своего полного значения только в середине пускового периода или даже, к концу его. С точки зрения реализации силы сцепления не безразлично, каким образом меняется сила тяги в течение каждой фазы и какова длительность каждой из этих фаз пуска. В зависимости от того, по какому закону изменения пусковой силы тяги мы приближаемся к пределу сцепления, зависит закон распределения реализованных значений коэффициента сцепления и использование силы сцепления [60].
Рассмотрим влияние на величину реализуемого коэффициента сцепления трех различных режимов нарастания силы тяги. Силы сопротивления движению считаем постоянными за время пуска и значительно меньшими силы тяги.
Первый режим пуска условно назовем равномерным: сила тяги за вычетом сил сопротивления движению, растет пропорционально времени пуска (прямая 2, рис. 2.1, а). Второй режим — ускоренным с монотонно (без точек перегиба) уменьшающимся приращением ускорения (кривая 1) и третий режим - ускоренным при монотонно возрастающем приращении ускорения (кривая 3).
Конечное значение пусковой силы тяги Fm во всех трех режимах примем одинаковым и равным ее расчетному значению. Однако при этом скорости выхода на ходовую характеристику будут различными для каждого из рассматриваемых режимов, вследствие чего сопоставление результатов исследования оказывается недостаточно наглядным.
Для того чтобы скорость выхода локомотива на ходовую характеристику была бы во всех трех рассматриваемых случаях одинаковой, необходимо, чтобы площади, заштрихованные на рис. 2.1, а были бы равновелики. При этом отрезки пь п2 и /пз будут представлять длительность пуска каждого из рассматриваемых режимов.
Для большей наглядности сравнения результатов будем вести исследование в относительном времени пуска, введя безразмерный параметр т, представляющий собой отношение текущего момента времени пуска t к общей продолжительности пуска tu (в начальный момент пуска, когда t = 0, значение т = 0; в момент окончания пуска при выходе на ходовую характеристику t = tu и т = 1). Три рассматриваемых режима изменения пусковой силы тяги Fu, перестроенные в функции безразмерного параметра т, приведены на рис. 2.1, б. При этом Fm означает предельное значение силы тяги по условиям сцепления в момент окончания пуска.
При равномерном нарастании силы тяги, согласно прямой 2 (см. рис. 2.1, а), зависимость силы тяги от параметра т имеет линейный характер. На рис. 2.1, б эта зависимость представлена прямой 2. Исследования показали, что пуск с равномерным нарастанием силы тяги во времени, являющийся необходимым с точки зрения обеспечения плавности хода поезда, не может обеспечить оптимальных условий для обеспечения стабильных тяговых свойств локомотива.
При пуске с монотонно нарастающим ускорением (график 3, рис. 2.1, б) среднее значения коэффициента сцепления является завышенным и может привести к пробуксовке и срыву сцепления в процессе пуска. Во избежание этого в условиях эксплуатации нужно стремиться к возможно более быстрому нарастанию силы тяги и увеличению ускорения в начальный момент пуска, не превышая при этом, конечно, его допустимых пределов [60].
Следует предположить, что наиболее тяжелые условия движения оказываются в первый момент пуска, когда силы сопротивления движению, зависящие от трения, определяются величиной коэффициента трения покоя, т. е. имеют наибольшее значение. Для их быстрого преодоления необходима реализация максимально возможного значения силы тяги. Поэтому наиболее благоприятные условия пуска будут иметь место в том случае, когда в первой половине его времени осуществляется более интенсивное нарастание тягового усилия, чем во второй. Также необходимо учесть, что чем быстрее происходит нарастание силы тяги, тем более высокий обеспечивается коэффициент сцепления. При этом для каждого веса поезда с учетом характеристик рельсового пути (угол подъема, наличие балластного основания и т. п.) должен быть подобран режим пуска, обеспечивающий оптимальные условия реализации тягового усилия. Также следует отметить, что время пуска, т. е. его продолжительность, в данном случае будет наименьшим из трех рассмотренных схем пуска (рис. 2.\,а, график 1). Исследованиями [60, 176] было установлено, что наиболее высокие коэффициенты сцепления в процессе пуска обеспечиваются при таком режиме, когда нарастание силы тяги достигает 75 % от максимального значения приблизительно в первой четверти отрезка времени пуска. Поскольку ускорение пропорционально результирующему тяговому усилию, считая массу состава и силы сопротивления движению на данном отрезке времени постоянными, можно предположить, что ускорение локомотива также должно в процессе пуска изменяться в аналогичном режиме. В течение оставшегося времени, т. е. в интервале последующих трёх четвертей времени пуска, тяговое усилие должно быть плавно доведено до требуемого по условиям сцепления уровня, а ускорение при этом необходимо за этот же отрезок времени также плавно изменять и по окончанию процесса пуска и достижения рабочей скорости движения состава на данном отрезке пути сделать равным нулю.
Расчет фактической площади контакта при пластической деформации обработанных после приработки профилей бандажа и рельса карьерного железнодорожного транспорта
Коэффициенты і о и р определяются экспериментальными исследованиями. Для грубых стальных поверхностей - т0= 129,6 МПа (пластический контакт), для чистых - х о = 840 МПа (упругий контакт), р =0,072 [112(С. 6 и 30), 120, 121, 122]; рс - контурное давление; Е - модуль упругости материала; \± - коэффициент Пуассона; ИВ - твердость материала.
Анализ формулы (3.39) позволяет установить, что для ненасыщенного упругого контакта при увеличении рс и комплексного показателя шероховатости А молекулярная составляющая коэффициента трения уменьшается, что является подтверждением мнения авторов [35, 181].
Здесь следует отметить, что последнее слагаемое в (3.39) характеризует механическую (деформационную) составляющую коэффициента трения, которой для материалов с высоким модулем упругости, например для металлов, можно пренебречь [119, С. 30].
Из формулы (3.40) следует, что для пластического насыщенного контакта при увеличении контурного давления и комплексного показателя шероховатости коэффициент трения увеличивается, что подтверждает правоту авторов работ [118,179].
Под тангенциальной прочностью адгезионной связи понимаются контактные касательные напряжения, обусловленные молекулярным взаимодействием в зонах фактического касания [117, С. 53]
Из выполненного исследования молено сделать вывод, что при высоких классах чистоты поверхности, т. е. при низкой шероховатости, с увеличением осевой нагрузки на колеса локомотивов коэффициент трения и, следовательно, коэффициент сцепления, будут уменьшаться, а при контактировании грубо обработанных поверхностей - с увеличением осевой нагрузки коэффициент трения, а значит, и коэффициент сцепления будут увеличиваться.
Для определения характера изменения коэффициента трения для диапазона шероховатостей рабочих поверхностей системы колесо - рельс рассчитаем по формулам (3.39) и (3.40) их значения. Результаты расчетов приведены в табл. 3.3.
На рис. 3.10 показана зависимость изменения коэффициента трения от комплексного критерия шероховатости А при осевой нагрузке 270 кН, характерной для карьерного железнодорожного транспорта. Анализ зависимости изменения f от А показывает, что при переходе от упругого контакта (зона АВ) к пластическому (зона ВС) коэффициент трения переходит через минимум (точка В). Точка В графика является точкой экстремума функции f , что соответствует минимальному значению коэффициента трения, и, следовательно, коэффициента сцепления колеса локомотива с рельсом.
В машиностроении при проектировании узлов трения для уменьшения износа и увеличения долговечности, например - подшипников скольжения, основным критерием является минимизация коэффициента трения. Многочисленными исследованиями установлено, что по окончании приработки при неизменных условиях работы на взаимодействующих поверхностях устанавливается одинаковая, равновесная, шероховатость, не зависящая от величины и характера первоначальной, а зависящая от условий изнашивания [34, С. 342].
Для пары колесо - рельс основным критерием эффективного функционирования является, пропорциональный коэффициенту трения, коэффициент сцепления. Следовательно, для обеспечения нормальных условий работы необходимо установить для взаимодействующих поверхностей такую шероховатость, при которой будет обеспечиваться основная функция системы колесо - рельс, т. е. передача вращающего момента от колеса к рельсу и обеспечение соответствующего тягового усилия локомотива.
Установление рациональной шероховатости рабочих поверхностей пары колесо - рельс позволит теоретически спрогнозировать ожидаемое расчетное значение коэффициента сцепления карьерного локомотива.
Учитывая результаты экспериментальных исследований [114, С. 222] необходимо отметить, что при малых значениях комплексного показателя А, т.е. при высокой чистоте контактирующих поверхностей, при идентичных условиях взаимодействия, температура в зоне контакта значительно выше, чем при взаимодействии грубо обработанных поверхностей. Однако, с другой стороны, учитывая условия эксплуатации карьерных локомотивов (например, повышенные углы подъема выездных траншей) нельзя исключить вероятность повышенных скоростей пробуксовки колес локомотива, что приведет к дополнительному повышению температуры в зоне контакта системы колесо - рельс и повышению интенсивности износных процессов. Поэтому считается возможным ограничить шероховатость контактирующих рабочих поверхностей классом чистоты V4 - V5 (зона 2, рис. 3.10). Это предположение подтверждают расчеты по определению фактической площади контакта для класса чистоты V5, выполненные в п.п. 3.2, 3.3, 3.4. Данную шероховатость для взаимодействующих поверхностей системы колесо -рельс целесообразно считать рациональной.
При профилировке с обеспечением конформного контакта рабочих поверхностей рельсов шероховатостью Rz 40 - 20 мкм, что соответствует классу чистоты V4 - V5, продолжительность процесса приработки пары колесо - рельс будет сокращена (рис. 3.11), что в свою очередь продлит срок эффективной эксплуатации карьерного железнодорожного транспорта.
В результате многочисленных исследований [80, 32] установлено, что в основе сцепления колес с рельсами лежат процессы трения, происходящие в зоне их контакта и фрикционными особенностями поверхностей трущихся тел определяется величина коэффициента сцепления. В свою очередь фрикционные свойства системы колесо - рельс, очевидно, зависят не только от конструктивно - технологических характеристик (материал, шероховатость взаимодействующих поверх 120 ностей, физико-механические свойства и т. п.), но и от пого дно-климатических условий эксплуатации подвижного состава.
В результате экспериментальных исследований, выполненных в реальных эксплуатационных условиях, получены графические зависимости изменения коэффициента сцепления локомотива хи в момент начала движения от коэффициента трения д, измеренным по центральной части дорожки катания колеса по рельсу (рис. 3.12) [32]. позволяет несколько с других позиций подойти к оценкам тяговых свойств локомотивов [32]. Первый ее сомножитель, представляющий собой коэффициент сцепления локомотива в момент трогания, преимущественно отражает исходное фрикционное состояние колес локомотива и пути и все их регламентирующие фрикционные особенности. Тем самым он более четко отражает роль самого физико-химического процесса при взаимодействии колес локомотивов с рельсами и статические эксплуатационные характеристики конструкции локомотивов и железнодорожного пути. Второй сомножитель в большей мере характеризует специфические особенности самой конструкции локомотивов при их движении, а также динамические характеристики железнодорожного пути. Эта формула позволяет четко представить, какой при исходном фрикционном состоянии рельсов (меняющемся от погодных условий) можно ожидать коэффициент сцепления локомотива при его движении. Для отечественных локомотивов со среднестатистическим их техническим состоянием видоизмененные таким образом формулы представлены в таблице 3.5. С известным приближением здесь можно принять хи равным о - коэффициенту сцепления колес локомотива с рельсами в момент его трогания.
Влияние состава дисперсных загрязнений открытых разработок в зоне контакта системы колесо-рельс на изменения механических свойств их поверхностей трения
Теоретические и практические исследования, выполненные рядом авторов, показали, что передняя колесная пара локомотива обычно бывает более склонной к буксованию. Это объясняется перераспределением нагрузок от колесных пар на рельсы при реализации силы тяги. Сила тяги, действующая на уровне головки рельса, и сила сопротивления движению состава, действующая на уровне автосцепки, образуют пару сил с плечом, равным высоте автосцепки над головкой рельса, или так называемый опрокидывающий момент, перегружающий задние колесные пары и разгружающий передние. Поэтому передняя, наиболее разгруженная колесная пара локомотива раньше других потеряет сцепление с рельсами.
Результаты исследований процесса буксования передней колесной пары локомотива показаны во второй главе. Диаграмма, иллюстрирующая наибольшую склонность первой по ходу колесной пары локомотива к буксованию, показана на рис. 6.5.
Практика эксплуатации подвижного железнодорожного состава показывает, что после срыва сцепления первой по ходу колесной пары, начинается процесс последовательного срыва сцепления других колесных пар, после чего наступает разносное буксование. Поэтому является крайне актуальным контроль процесса скольжения каждой из колесных пар локомотива на протяжении достаточно длительного времени, учитывая то обстоятельство, что в связи с повышенными углами подъема карьерных железнодорожных путей, процесс буксования колесных пар происходит более интенсивно.
Исследованиями, выполненными рядом авторов [48, 49, 96], установлена степень влияния на характер движения локомотива с пробуксовкой при малых и больших скоростях перемещения.
Рассмотренные схемы не обеспечивают активный контроль пробуксовки каждой из колесных пар локомотивов в реальных условиях эксплуатации и, кроме того, они не унифицированы и не могут быть использованы без изменений на локомотивах с электрической и тепловой тягой, в частности, на тяговых агрегатах, применяемых в условиях открытых разработок. Поэтому является актуальным разработать универсальный способ для обнаружения начала процесса буксования колесных пар локомотивов с электрической и тепловозной тягой.
С целью получения своевременной, более полной и достоверной информации о величине и характере изменения скорости скольжения колес карьерного локомотива, создания возможности контроля пробуксовки в течение длительного времени и упрощения процесса получения результатов измерений, нами разработано защищенное патентом устройство [163], позволяющее одновременно с определением величины скорости проскальзывания, предпринять меры по его устранению. Также разработана методика, позволяющая одновременно с измерением скорости проскальзывания производить регистрацию упомянутого параметра, скоростей приводного (локомотив) и неприводного (вагон) колес с помощью компьютера.
Измерение скорости проскальзывания производится с помощью двух соединенных встречно тахогенераторов ТГ-ЗОП, т.е. между положительными полюсами при соединенных между собой отрицательными. Выходные валы тахогене 176 раторов с помощью жестких муфт (рис. 6.6) соединены соосно с осями колесных пар, соответственно, вагона и локомотива (рис. 6.7). Такой метод измерения разности напряжений называется компенсационным [155].
Компенсационный метод измерений основан на компенсации (уравнивании) одного измеряемого напряжения другим измеряемым напряжением. Если оба напряжения одинаковы, то они компенсируют друг друга и напряжение в измерительной цепи или приборе оказывается равным нулю. Если же эти напряжения не равны, то измерительная цепь (прибор, устройство) сразу реагирует на разность измеряемых напряжений. Компенсация двух напряжений получается в измерительной цепи, когда оба напряжения подключаются к ней встречно, поэтому для сравнения напряжений на двух тахогенераторах их подключают к измерительной цепи встречно [155].
Устройство для обнаружения начала процесса буксования колесных пар локомотива состоит из соединенных с осями колесных пар локомотива 1 и вагона 2 осевых тахогенераторов (датчиков скорости) соответственно 3, 4, 5, 6 и 7. Каждая пара контактов тахогенераторов 3, 4, 5, 6 колесных пар локомотива соединена с контактами тахогенератора 7 колесной пары вагона компенсационным способом, т. е. таким образом, что отрицательные полюса тахогенераторов 3, 4, 5, 6 и 7 соединены между собой, а разность напряжений оценивается сравнением разности потенциалов между положительным контактом тахогенератора 7 и соответствующими положительными контактами тахогенераторов 3, 4, 5, 6 (рис. 6.8). Положительные контакты тахогенераторов соединены с блоками сравнения и усиления разности сигналов 8, а их выходы соединены с контактами реле 9, сердечники которых замыкают контакты 10 электропневматических клапанов 11 - 14. Штуцеры 15 и 16 предназначены соответственно для подачи песка и сжатого воздуха в в зону контакта колесной пары локомотива с рельсом
В случае неравенства угловых скоростей вращения приводных колес локомотива 1 и колес вагона 2 (рис. 6.7), возникает разность напряжений между тахогенераторами колесных пар локомотива 3 - 6 и колесной пары вагона 7 и эта раз 178 ность напряжений передается на вход соответствующего из блоков сравнения и усиления разности сигналов 8. Если эта разность больше напряжения срабатывания реле 9, то его сердечник втягивается и замыкает контакты выключателей 10 каждого из электропневматических клапанов 11 - 14, установленных в воздухораспределителях для подачи песка по штуцерам 15 к соответствующей колесной паре локомотива.
После прохождения локомотива, песок, оставшийся на рельсах создает дополнительное сопротивление движению поезда, достигающее 12 % , а песок, попавший на трущиеся детали пути и подвижного состава, способствует их более интенсивному абразивному износу [32]. Поэтому, оставшийся на рельсах песок необходимо удалять. Это можно осуществить, например, сдуванием струей сжатого воздуха из воздушной системы локомотива, направленной по штуцерам 16 с тыльной стороны, в зону контакта колесной пары локомотива с рельсом [163].
Сущность процесса измерения проскальзывания основана на следующем. В механизмах, где создание тяговых усилий обеспечивается при помощи сил трения, приводное колесо по различным причинам (разгрузка осей колесных пар локомотива, увеличение сопротивления перемещению или вследствие влияния инерционных сил вращающихся частей) может опережать неприводное, или наоборот - отставать от него. При этом угловая скорость приводного колеса юПр будет соответственно больше или меньше скорости неприводного колеса ю нпр. Разница угловых скоростей ю ск будет характеризовать угловую скорость проскальзывания Юск= Юпр-Юнпрі (6-Ю) где ю ск угловая скорость проскальзывания приводных колес относительно рельса, с"1. На полюсах тахогенераторов возникнут напряжения Unp и Ump, которые пропорциональны Ющ, и юнпр. При соединении тахогенераторов в противофазе подающееся на прибор результирующее напряжение