Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы взаимодействия колеса и рельса и износа гребней колес подвижного состава 7
1.1 Причины изнашивания гребней колес 10
1.2 Анализ проблемы износа гребней колес электровозов на Красноярской железной дороге 19
1.3 Технологические приемы и методы снижения интенсивности изнашивания гребней колес 21
1.4 Лубрикация поверхностей колес. Рассмотрение способов смазывания гребней колес и рельсов с применением различных типов смазочных материалов 26
1.5 Задачи исследования 35
2 Математическое моделирование метода смазывания гребней колес локомотива твсрдосмазочным диском 36
2.1 Выбор принципиальной схемы смазывания гребня колеса 36
2.2 Формирование параметрической модели смазочного устройства и критерия эффективности процесса лубрикации 39
2.3 Формирование математической модели для исследования особенностей динамического взаимодействия узлов локомотива с твердо смазочным диском 46
2.3.1 Математическая модель взаимодействия смазочного устройства с учетом динамического воздействия узлов локомотива 46
2.3.2 Фрикционные условия контакта и формирование силы тяги локомотива 70
2.3.3 Моделирование процесса взаимодействия смазочного устройства с гребнем колеса 94
2.4 Выводы 101
3 Экспериментальные исследования по нанесению твердо смазочного материала на гребень колеса локомотива в лабораторных условиях 102
3.1 Теоретические основы подобия, л>теорема 102
3.2 Метод анализа размерностей 109
3.3 Использование метода анализа размерностей при моделировании сложных систем 111
3.4 Сущность процесса нанесения покрытий методом финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО) 115
3.5 Экспериментальные исследования по лубрикации гребня колеса 119
3.6 Использование некомпозиционных планов второго порядка для математического описания процесса натирания 130
3.7 Обработка результатов эксперимента ..139
3.8 Выводы 143
4 Разработка технических устройств для лубрикации пары трения гребень колеса - головка рельса твердосмазывающим диском 145
4.1 Конструкция устройства для смазывания гребня колеса локомотива .145
4.2 Усовершенствование конструкции ролика 148
4.3 Способ смазывания диском с емкостью для жидкого вспомогательного материала 150
4.4 Выводы 152
5 Определение экономического эффекта от лубрикации гребней колес локомотивов твердосмазочным диском 154
5.1 Сокращение расходов на замену бандажей локомотивов 155
5.2 Снижение расходов от уменьшения количества обточек колёсных пар 156
5.3 Сокращение расходов на замену колёсно-моторных блоков 156
5.4 Сохранение расходов от простоя локомотивов при замене КМБ 157
5.5 Затраты на изготовление и содержание оборудования для лубрикации гребней колесных пар 158
5.6 Результаты расчёта экономической эффективности 158
Заключение 161
Список использованных источников 163
Приложение 176
- Анализ проблемы износа гребней колес электровозов на Красноярской железной дороге
- Формирование параметрической модели смазочного устройства и критерия эффективности процесса лубрикации
- Использование метода анализа размерностей при моделировании сложных систем
- Усовершенствование конструкции ролика
Введение к работе
Проблемы взаимодействия подвижного состава и пути тесно связаны с безопасностью движения на железнодорожном транспорте. Одной из наиболее острых проблем на железных дорогах России является проблема износа гребней колес подвижного состава и бокового износа рельсов. Потери от износа пары колесо - рельс достигают значительных величин. В структуре эксплуатационных отказов утрата работоспособности колес по подрезу гребня и остроконечному накату является определяющей и основной причиной отбраковки тягового подвижного состава по износу колесных пар /1/.
На ряде участков сети железных дорог страны фактическая интенсивность изнашивания в 3-6 раз выше предусматриваемой нормами эксплуатации пути и подвижного состава. Выход рельсов из-за предельного бокового износа увеличился за 10 лет более, чем в 3 раза /I/. Ситуация с подвижным составом также близка к критической. Так, если в начале 80-х годов срок службы бандажей колесных пар локомотивов составлял 6-7 лет, то в настоящее время он сократился до 2-3 лет, и это является причиной того, что ряд локомотивных депо не справляется с объемами ремонта по переточке бандажей.
Указанием МПС от 25.11.1994 г. № 151у «О неотложных мерах по ликвидации интенсивного износа гребней колесных пар и бокового износа рельсов» были определены три направления работ по снижению интенсивности износа гребней колес и бокового износа рельсов:
технологии, технические средства и смазочные материалы для зоны контакта гребня колеса с рельсом;
восстановление наплавкой изношенных гребней колес;
организационно-технические мероприятия по повышению качества ремонта и текущего содержания ходовых частей подвижного состава и пути.
Суммарное годовое снижение эксплуатационных расходов в связи с реализацией программы «колесо-рельс» составило в 2002 г. по сравнению с 1992 г.
6702,38 млн. руб. без учета снижения расхода топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов и сокращения количества сходов подвижного состава с рельсов/129/.
Разработанный проект стратегической программы «колесо-рельс» одним из мероприятий, дающих максимальный эффект в короткие сроки, предполагает разработку технических средств, технологий и материалов для подачи третьего тела в зону контакта.
За последнее время на сети железных дорог России повсеместно внедряются гребне и рельсосмазыватели, технологии по упрочнению.
Актуальность и важность проблемы для железнодорожного транспорта подтверждается тематикой научно-практической конференции «Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути "колесо-рельс 2003"», проходившей в ноябре 2003 г. в г. Щербинка.
Тема диссертации входит в перечень актуальных проблем научно-технического развития железнодорожного транспорта (Постановление коллегии МПС России № 16 от 16 августа 2000 г.).
Цель исследования состоит в снижении износа гребней колесной пары путем лубрикации гребня колеса твердосмазывающим диском.
Научную новизну диссертационной работы характеризуют следующие результаты, выносимые на защиту:
Метод смазывания гребней колес подвижного состава тверд ос мазочным диском, основанный на управлении подачей твердого смазочного материала в зону трибосопряжения элементов системы «колесо - рельс».
Математическая модель взаимодействия смазочного устройства с гребнем колеса с учетом динамики узлов локомотива, позволяющая определить конструктивные и технологические параметры устройства для обеспечения рационального режима нанесения смазочного материала.
3) Результаты экспериментальных исследований процесса смазывания
гребня колеса при различных условиях эксплуатации.
4) Новые устройства для лубрикации гребней колес.
Анализ проблемы износа гребней колес электровозов на Красноярской железной дороге
Достаточно серьезной проблемой на Красноярской железной дороге (как и на всей сети дорог) остается износ гребней колес. Проблема повышенного износа гребней колесных пар, а так же рельсов не обошла Абаканское отделение. Профиль пути на отделении горно-перевальный, с большим количеством кривых малого радиуса, что способствует росту интенсивности изнашивания гребней колес. Удельный износ гребней и количество обточек колесных пар электровозов продолжают расти. Депо Абакан является единственным основным на отделении, поэтому обточку при ТО-4 производят в нем.
На дороге в последние годы применялись активные меры по снижению износа рельсов, гребней колесных пар. С 1997 года и по настоящее время специальным оборудованием выполняется смазка рельсов. Работа рельсосмазыва-телей осуществляется на всех прилегающих кривых независимо от радиуса.
Гребни колес электровозов смазываются гребнесмазывателями АГС-8. Ими в настоящее время оборудовано 70 % всего парка электровозов. Так же одним из применяемых в депо способов увеличения ресурса колесных пар является упрочнение гребней. Однако, с его применением увеличилось количество обточек по причине остроконечного наката и проката, хотя и есть небольшое уменьшение износа гребня (таблица 1.2), но в тоже время увеличивается износ рельсов. Возможно, уменьшение износа гребней произошло за счет совместного применения лубрикации и упрочнения.
Проблема износа гребней колес и головок рельсов на Красноярской дороге продолжает оставаться актуальной. Введение средств лубрикации гребней колес и боковых внутренних граней наружных рельсов в кривых участках пути, а также восстановление и плазменное упрочнение гребней снижают интенсивность изнашивания, но в полной мере не решают проблему. Тем не менее, вкладываются большие средства именно в технические устройства для лубрикации. Хотя это и позволило частично уменьшить остроту вопроса, в целом проблему износа не решило. В настоящее время на железных дорогах России продолжаются поиски более совершенных методов борьбы с интенсивным износом рельсов и колесных пар подвижного состава. Проблема давно вышла за рамки локальных про изводственных бед, превратившись в одну из основных общесетевых, что сказывается на росте расходов предприятий и дорог в целом.
Серьезная борьба с интенсивным ростом износа колесных пар на сети железных дорог началась в 1994 г. с указания министра путей сообщения Г.М. Фадеева № 151 / Ц от 25.11.1994 г. Указанием предусматривалось: считать главным направлением работы по снижению интенсивности изнашивания гребней колесных пар и бокового износа рельсов широкомасштабное внедрение технических средств и технологии лубрикации боковой поверхности головки рельса с использованием передвижных рельсосмазывателей, применение путевых лубрикаторов при одновременном приведении пути и подвижного состава в состояние, отвечающее действующим нормативным документам.
Изнашивание гребней колес является следствием нескольких факторов, действующих одновременно. Нельзя преодолеть проблему сокращения износа только одним путем, она может быть решена только комплексно.
Конструкция экипажной части подвижного состава оказывает большое влияние на износ гребней бандажей и рельсов. Как показывает практика, значительный эффект по снижению износа гребней бандажей можно получить за счет модернизации. Например, замена фрикционных демпферов на тепловозах типа 2ТЭ10М пневматическими снижает интенсивность износа гребней бандажей колесных пар до 30 % [32]. Экспериментальный тепловоз 2ТЭ10Л, оборудованный пневмодемпферами, обеспечил двухкратное увеличение технического ресурса бандажей как по износу гребней колес, так и по темпу роста их проката. Следовательно, вертикальная динамика локомотива существенно влияет на интенсивность износа как гребней бандажей, так и рельсов. Замена резиновых элементов в поводках на более жесткие из антифрикционных композиционных материалов в тележках тепловозов 2ТЭ116 позволит исключить преждевременный износ гребней.
Еще одно направление модернизации экипажной части заключается в обеспечении радиальной установки колесных пар в кривых участках пути. В соответствии с планами научно-исследовательских работ Департамента локомотивного хозяйства МПС выполнен комплекс работ по созданию экипажа тепловоза на трехосных тележках с радиальной установкой колесных пар (РУКП).
Для выбора конструктивных решений и характеристик тележек с РУКП были разработаны математические модели экипажа локомотива и проведены вариантные расчеты в соответствии со схемами тележек [34, 35, 66, 83, 93,106, 111].
Формирование параметрической модели смазочного устройства и критерия эффективности процесса лубрикации
Износ гребня колеса в основном определяется условиями фрикционного взаимодействия гребня колеса с головкой рельса. Величина сил трения, а соответственно и уровень износа зависят от большого числа факторов, различных как по физической природе, так и по степени влияния на процесс износа. К доминирующим факторам можно отнести физико-химические параметры материала контактирующих тел, конфигурацию и состояние поверхностей тел в зоне их контакта и распределение сжимающих и фрикционных сил по этой зоне.
При формировании сил трения существенным фактором является уровень шероховатости поверхностей тел в области контакта. При решении проблемы износа позитивную роль играет присутствие «третьего» тела с более мягкой структурой, которое, заполнив неровности, уменьшает глубину их взаимного проникновения.
В этой ситуации «третье» тело играет роль смазки. Количество смазывающего материала, необходимое для обеспечения минимального износа, зависит от величины и распределения сил в зоне контакта смазывающего диска с гребнем колеса колесной пары. Если силу трения Гф представить функцией давления Р и коэффициента сцепления у/ (F = F (Р, у/) ) , то можно провести детальный анализ процесса в области контакта и, следовательно, определить конструктивные параметры смазывающего устройства для обеспечения надлежащего уровня смазки.
На графике можно выделить три основных зоны. Участок ОА соответствует упругой стадии деформации. Участок АВ определяет упруго-пластические процессы в области контакта. На этой стадии происходит пластическое сжатие материала неровностями внедрившегося тела без заметного хрупкого разрушения. В точке В наступает переход от пластической стадии к разрушению материала с образованием стружки и отшелушившихся частиц. Левее точки В лежит зона скольжения. Величина у/(є) fCK соответствует стадии полной приработки контактирующих тел, когда продукты разрушения материала максимально возможно заполняют неровности на поверхности контакта.
Следует отметить тот факт, что при єє(0;є) происходит лишь незначительное относительное смещение материала контактирующих тел в пределах упругих деформаций. На линии у/(є) этой стадии соответствует участок ОА. При таком взаимодействии почти полностью отсутствует разрушение материала и, следовательно, не происходит смазки гребня колеса. При ЄЄ(Е;) наблюдается упругое сжатие материала более мягкого тела неровностями более твердого материала. На этой стадии касательные напряжения достигают предельных значений, при которых наступает хрупкое разрушение материала (происходит образование стружки).
Данное выражение позволяет провести анализ распределения скоростей деформации материала в зоне контакта в зависимости от скорости движения локомотива и от геометрических параметров смазывающего устройства.
Количество «смазки», наносимое на гребень колеса, можно оценить через работу, производимую фрикционными силами за один оборот колесной пары. Найдем выражение этой работы в зависимости от величины сжимающей силы Р и геометрических параметров диска смазывающего устройства.
Как видно из аналитических зависимостей, на величину работы сил трения влияют физико-механические параметры контактирующих тел, геометрические параметры смазывающего устройства, давление в контакте и скорость вращения колесной пары. Следовательно, эта формула может служить основой для оценки работы сил фрикционного трения, необходимой для нанесения слоя смазочного материала необходимой толщины. 2.3 Формирование математической модели для исследования особенностей динамического взаимодействия узлов локомотива с твердосмазочным диском
В реальных условиях эксплуатации в зоне контакта гребня колеса и ролика действуют силы, величина которых определяется показателями динамических качеств механической колебательной системы «локомотив - путь», а также конструктивными параметрами смазывающего устройства.
В связи с этим возникает необходимость в определении динамических перемещений тележки и колесной пары, так как при движении локомотива по рельсовому пути и, особенно, в его кривых участках, все колеса движутся по разным траекториям и их перемещения относительно тележек существенно различаются. Поведение тележек, в свою очередь, зависит от пространственных колебаний кузова.
Для определения динамических сил в зоне контакта смазывающего устройства с гребнем колеса сформирована математическая модель колебаний подрессоренных и иеподрессоренных частей локомотива.
Использование метода анализа размерностей при моделировании сложных систем
Модели могут быть простыми и сложными. Простая модель описывает один вид движения материи (например, механическое) или является условным образом явления. Примером такой модели может служить описание математического маятника, подвешенного на невесомой и нерастяжимой нити, конец которой закреплен неподвижно. Движение только в одной плоскости описывается дифференциальным уравнением с четко определенными начальными условиями. Методами теории подобия, используя это дифференциальное уравнение, составляют уравнение подобия. Однако такая физическая модель является идеализированной. Она не учитывает дополнительные эффекты, связанные с трением, растяжением нити, сопротивлением воздуха при качении маятника и т.д. [132-134].
Сложная модель состоит из двух и более подсистем, она, как правило, описывает несколько видов движения материи. Например, система подшипник - вал представляет сложную систему и состоит из семи подсистем. Она описывает не менее двух видов движения: механическое и тепловое. В ряде случаев приходится учитывать еще электрические и химические явления в зоне контакта одной пары трения. К сложным относятся модели тормозных систем.
Сложная модель является однородной, если класс моделируемых явлений имеет граничные условия. Интерпретировать сложную физическую модель системой уравнений как правило не представляется возможным, поэтому составление уравнения подобия, описывающего процесс, осуществляют путем использования "-теоремы. Применив теорию подобия, можно, по Э.Д. Брауну получить замкнутое математическое описание модели. При решении последовательно реализуются следующие операции: 1) разрабатывается графическая модель процесса с использованием системного подхода; 2) определяются основные факторы, влияющие на данный процесс. Кроме системного подхода в данном случае используется метод экспертных оценок или метод случайного баланса; 3) находятся критерии подобия при одних и тех же базисных параметрах и составляется уравнение подобия в симплексной форме; 4) выбираются, с учетом требований, предъявляемых к модельным и натурным параметрам, дополнительные условия; 5) уравнение подобия представляется в виде системы совместных линейных уравнений и решается; 6) производится анализ решения; находятся масштабные коэффициенты перехода (МКП) для пересчета моделируемых параметров с натуры на модель и наоборот.
достаточно дорогим натурным испытаниям предшествуют ускоренные, т.е. в сжатом масштабе времени, испытания на малогабаритных образцах и режимах, моделирующих характерные условия эксплуатации. Экономия достигается за счет существенного (в 3 - 5 раз) сокращения машинного и (в 10-30 раз) подготовительно-заключительного времени при испытаниях, экономии часто весьма дорогих опытных материалов, и, наконец, сокращения численности испытателей.
Для ускоренных испытаний важны ограничения, которые хотя бы косвенными способами подтверждали тождественность процессов. Такие ограничения предлагает теория трения в виде равенства для модели и натуры (оригинала) критериев И.В. Крагельского, характеризующих контактирования. Необходимо, чтобы с учетом масштабного фактора температуры и структуры материалов были аналогичны.
Наибольшая эффективность моделирования (в смысле ускоренного получения результатов) достигается при максимальном уменьшении размеров объектов лабораторных испытаний. Однако минимальные размеры модели всегда ограничены либо возможностью существенного увеличения относительно погрешности эксперимента, либо нарушением принципа Назарова, когда число структурных составляющих в материале образца меньше допустимого (особенно на поверхностях трения).
Следует отметить, что при испытаниях малогабаритных образцов значений контролируемых параметров (трения, сил, температуры) значительно меньше, чем у реального узла трения и, следовательно, при неизменной погрешности требуется меньшее число опытов. Так, при испытаниях тормоза шахтной подъемной машины приходилось выполнять 28 - 39 экспериментов, при испытаниях на модельных образцах таких экспериментов требовалось значительно меньше .
При моделировании повторно-кратковременного режима трения недопустимо произвольное назначение интервала между последующими фрикционными взаимодействиями. Отступление от расчетного интервала увеличивает погрешность в 5 раз и более.
Целью экспериментальных исследований по снижению износа гребней является нанесение слоя смазки («третьего тела») телом вращения, установленным на оси и поджимаемым к поверхности гребня.
Сущность процесса состоит в том, что стальные детали после окончательной обработки их поверхностей трения (шлифованием, полированием) покрывают тонким слоем (до 5 мкм) медьсодержащими сплавами. Известные способы нанесения покрытия заключаются в подводе медьсодержащих инструментов в виде стержня, трубки, диска к поверхности детали. За счет трения материал инструмента переносится на стальную поверхность детали [119].
Усовершенствование конструкции ролика
Для повышения эффективности натирающего действия твердосмазочного элемента, увеличение срока действия пленок, нанесенных на рабочую поверхность гребня разработана конструкция ролика, позволяющая применять технологические жидкости [127].
Введение вспомогательного материала связано с тем, что твердые пленки при многократных взаимных перемещениях быстро изнашиваются, вызывают повышенные потери на трение. Влага на металлических поверхностях улучшает адгезию пленок к этим поверхностям.
Обод ролика 2 составлен из твердосмазочных пластин 3, контактирующих между собой по торцовым поверхностям, наружная поверхность копирует профиль рабочей поверхности гребня I. Пластины ставят без зазора на наружную поверхность корпуса ролика 2 и прижимают к торцовой поверхности корпуса ролика шайбой. Пластины выполняют с наружными размерами, обеспечивающими в продольном сечении профиль, копирующий профиль рабочей поверхности гребня. Во внутренней полости ролика размещают втулку 4 с упругими стержнями 5, которые соединяют со ступицей ролика, и жидкий вспомогательный материал. Во втулке и корпусе ролика выполняют отверстия, оси которых сближаются при повороте втулки относительно оси корпуса ролика. Пластины могут быть выполнены в виде шайб с гофрированными торцовыми поверхностями, а также из пористого материала, пропитанного смазочным материалом (рисунок 4.2).
Наружная поверхность втулки контактирует с корпусом ролика 2. Внутреннюю полость ролика закрывают крышкой с заправочным клапаном 6. Крышку ставят через перегородку, при этом между перегородкой и крышкой образуется кольцевой канал. Через заправочный клапан и кольцевой канал внутреннюю полость ролика заполняют жидким смазочным материалом.
При взаимодействии ролика с гребнем в периоды ускоренного или замедленного вращения колеса втулка за счет инерционных сил совершает угловой поворот относительно оси корпуса. Это изменяет линейную скорость твердо-смазочных пластин, контактирующих с рабочей поверхностью гребня, и обеспечивает натирающее действие обода ролика. Кроме этого, при повороте втулки на упругих стержнях оси отверстий во втулке и отверстий в корпусе ролика сближаются и жидкий вспомогательный материал перетекает по отверстиям из внутренней полости ролика, смачивает твердо смазочные пластины и, соответственно, рабочую поверхность гребня. Для подачи вспомогательного материла в рабочую зону гребня на торцовых поверхностях пластин выполняют радиальные каналы. Вспомогательный материал способствует увеличению прочности соединения наносимых твердосмаочных пленок с поверхностью гребня,
На стойкость твердосмаз очных пленок влияют подачей в зону трения вспомогательного материала (глицерина). Он способствует увеличению прочности соединения наносимой твердой пленки с поверхностью гребня колеса, обеспечивает снижение сил трения при фрикционном взаимодействии пары «гребень колеса - головка рельса» и увеличению срока службы гребней колес подвижного состава.
Следующий разработанный способ [128] смазывания гребней колес подвижного состава, осуществляют следующим образом. При подведении смазочного материала к поверхности гребня в периоды ускоренного или замедленного движения состава в зону трения вводят жидкий вспомогательный материал, который размещают внутри корпуса диска. Жидкий материал подается по каналам в диске и втулке, упругосвязанной с корпусом диска.
Каналы втулки совмещаются с каналами диска в периоды замедленного или ускоренного вращения диска, во время которых происходит угловое смещение втулки относительно диска.
Схема способа представлена на рисунке 4.3. Подведение твердого смазочного и жидкого вспомогательного материалов осуществляется следующим образом. К вращающемуся гребню 1 колеса подводят диск 2, который поджимают к его рабочей поверхности. В наружной поверхности 3 из твердого смазочного материала и корпусе диска 2 выполняют каналы 4 и 5. В корпусе диска 2 размещают втулку 6 с каналами 7 и 8 и соединяют ее упругими элементами 9 со ступицей диска. Внутреннюю полость диска заполняют жидким вспомогательным материалом 10. При вращении колесной пары за счет фрикционного катка нагруженная поверхность 3 диска 2 совершает вращательное движение, при этом величину разности скоростей контактирующих поверхностей диска и гребня регулируют грузами 11. При изменении угловой скорости диска в периоды ускоренного или замедленного движения состава за счет инерционных сил происходит угловое смещение втулки 6, совмещение каналов втулки и диска (4 и 7 или 5 и 8) и подача за счет центробежных сил жидкого вспомогательного материала 10 по совмещенным каналам в зону трения диска о гребень.
