Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и постановка цели и задач исследования 13
1.1 Анализ работ в области сцепления колёс железнодорожного подвижного состава с рельсами 13
1.2 Анализ существующих теорий сцепления колеса с рельсом 25
1.3 Цели и задачи работы 36
2. Теоретические основы решения поставленных задач 39
2.1 Дислокационная модель сопротивления сдвигу и пластическая деформа ция твердых тел 39
2.2. Термодинамика взаимодействия поверхностей металлов и участие дис локаций в этом взаимодействии 58
2.3 Влияние поверхностных пленок на установление физической связи между поверхностями металлов 71
2.4 Заключение по главе 2 95
3. Приципы построения модели сцепления и скольжения колеса с рельсом 97
3.1. Применяемые модели для расчета сцепления колеса с рельсом 97
3.2 Принципы построения модели сцепления колеса с рельсом и факторы, определяющие процесс сцепления 107
3.3 Принципы построения модели скольжения колеса по рельсу 123
3.4 Заключение по главе 3 126
4. Результаты расчета, проверка адекватности предло женной модели и основы моделирования процесса сцеп ления колеса локомотива с рельсом 127
4.1 Результаты расчета коэффициента сцепления для электровозов с последовательным и независимым возбуждением и проверка их адекватности 127
4.2. Основы теории автоколебаний, причины возникновения и основные характеристики 143
4.3. Математическое моделирование процессов вертикальных колебаний механической части электровоза и крутильных колебаний в его тяговой передаче 169
4.4 Заключение по главе 4 202
5. Результаты расчетов сцепления колеса с рельсом при движении электровоза в режиме тяги 204
5.1 Результаты расчета для электровоза с последовательным возбуждением ТЭД 204
5.2. Результаты расчета для электровоза с независимым возбуждением ТЭД и сравнительный анализ с результатами расчета для локомотива с последовательным возбуждением ТЭД 211
5.3. Моделирование процесса сцепления колеса локомотива с рельсом при шунтировании обмотки якоря ТЭД последовательного возбуждения 224
5.4. Заключение по главе 5 233
Заключение 234
Список литературы
- Цели и задачи работы
- Термодинамика взаимодействия поверхностей металлов и участие дис локаций в этом взаимодействии
- Принципы построения модели сцепления колеса с рельсом и факторы, определяющие процесс сцепления
- Основы теории автоколебаний, причины возникновения и основные характеристики
Введение к работе
Актуальность. Интерес к проблеме сцепления перемещающихся металлических деталей возник в середине XIX века. Систематическое изучение вопросов, связанных со сцеплением колеса с рельсом началось при зарождении теории и практики тяги поездов. Формировалась экспериментальная база по определению коэффициента сцепления, а также математический аппарат для обработки полученных экспериментальных данных. Во второй половине XIX века первыми опытами в этом направлении были работы А. Пуаре, М. Боше и Дж. Бюте. В 1915 году Н. П. Петров на основе экспериментальных данных получил аналитическую зависимость коэффициента сцепления от скорости движения локомотива. Аналогичные выражения были предложены А. Мюллером, А. Вихертом, X. Котером, Е. Куртиусом и А. Книфлером, С. М. Андриевским, Н. Н. Меньшутиным и рядом других авторов.
От процессов, происходящих в контакте колеса и рельса, зависит реализация силы тяги локомотивом. Потребляемая локомотивом энергия реализуется в этом контакте, а эффективное использование этой громадной по величине энергии зависит только от сцепления колеса с рельсом. Однако, природа этого процесса оставалась неизученной, хотя авторы многих работ, посвященных данной тематике, подчёркивали настоятельную необходимость изучения физических процессов, происходящих в контакте колесо рельс. Данная работа является актуальной поскольку позволяет определить силу сцепления при скорости движения близкой к нулю и скорости скольжения выше критического, а также осуществить прогнозирование сцепных свойств локомотивов независимо от типа их тяговых электродвигателей.
Степень разработанности. Для описания природы сцепления колеса с рельсом были предложены многочисленные теории. Основные из них - теория пластического деформирования И. Гран-вуане; теория продольного крипа О. Рейнольдса и Н. П. Петрова; дифференциального крипа А. Пальмгрена и Г. Хиткоута; молекулярная теория Г. Томлисона; теория упругих несовершенств А. Ю. Ишлинского. Совместный учет влияния объемных и поверхностных эффектов на сопротивление качению рассмотрен в работах И. Г. Горячевой. Однако достигнутый уровень науки о трении качения со скольжением до сих пор не позволяет объяснить ос-
новные закономерности, наблюдаемые в практике качения колеса локомотива по рельсу.
Второе столетие проблема сцепления колеса с рельсом является предметом рассмотрения многими учеными у нас в стране и за рубежом. Международная конференция по сцеплению (Лондон, 1963 г., Щербинка "Колесо - рельс 2003г., круглый стол", Москва, МПС РФ. ВНИИЖТ), констатировали отсутствие знаний о физике процессов в пятне контакта стальных колес и рельсов. В своей работе в 2003 году А. Л. Голубенко утверждает «...не только в нашей стране, но и в мире отсутствуют публикации, посвященные изучению физических процессов в контакте двигающегося колеса и рельса».
Цель исследования. Разработка модели сцепления колеса локомотива с рельсом и прогнозирование сцепных свойств локомотивов с различными типами тяговых электродвигателей.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
установлено влияние силы тяги локомотива на величину концентрации дислокации на поверхности рельса и получено аналитическое выражение для определения концентрации дислокации в пятне контакта, учитывающее динамику её движения в объеме рельса;
определена сила взаимодействия группы атомов колеса и рельса в активной зоне, возникшей на пятне контакта, в результате выхода дислокаций на это пятно под действием нормальных и тангенциальных сил;
установлено влияние относительной скорости скольжения колес локомотива на температуру в пятне контакта колеса с рельсом с использованием термодинамики неравновесных процессов;
определено влияние относительной скорости скольжения на величину силы и коэффициента сцепления, а также построены зависимости силы сцепления от скоростей скольжения и движения колеса локомотива с различными системами возбуждения их тяговых электродвигателей.
- выполнена проверка адекватности расчетных характери
стик сцепления путем сравнения её с экспериментальными;
определены особенности реализации процессов сцепления для локомотивов с различными системами возбуждения его тяговых двигателей в различных режимах тяги;
установлена причина возникновения автоколебаний при реализации сцепления локомотивом.
Методы исследования:
в процессе исследования были использованы следующие методы:
методы физики твердого тела, в частности, методы анализа структуры твердых тел и дислокационная модель пластического течения металлов;
физико-химическая модель образования окисной пленки на поверхности рельса;
метод термодинамики неравновесных обменных процессов при контакте колеса и рельса в условиях нормального и тангенциального воздействия со стороны колеса на рельс;
численное моделирование взаимодействия колеса локомотива с рельсом, а также колебательных процессов в тележке и тяговом электроприводе электровоза.
Научная новизна:
уточненная модель сцепления колеса локомотива с рельсом совместно с моделью вертикальных колебаний тележки локомотива и крутильных колебаний в его тяговой передаче позволяет выполнять исследования тяговых и сцепных свойств локомотива на стадии его проектирования;
в предлагаемой модели взаимодействия колеса и рельса сила сцепления рассматривается как сила разрушения захватов, возникающих в процессе физического взаимодействия между атомами колеса и рельса, а процесс скольжения - как процесс трансляционного пластического течения материала в пятне контакта, вызванного «схлопыванием» дислокаций, вышедших на поверхность контакта;
построены расчётные трёхмерные зависимости коэффициента сцепления от скоростей движения и скольжения для локомотивов с последовательной и независимой системами возбуждения тяговых двигателей;
- разработана методика расчета температуры поверхно
сти рельса и колеса локомотива на контактной площадке;
установлено, что в силу различий в объемных деформациях окисной пленки и металла, коэффициента их теплового расширения, а также из-за скольжения колеса по рельсу, на поверхности рельса происходит разрушение окисной пленки с находящимися на её поверхности загрязнениями;
установлено, что причиной автоколебаний колеса локомотива при пробуксовке является неравновесное состояние поверхностных слоев рельса, связанное с увеличением их температуры более 1000/f;
- показано влияние способа возбуждения тягового двигателя локомотива на устойчивость к возникновению крутильных автоколебаний колеса.
На защиту выносится разработанная модель сцепления. учитывающая физические процессы, происходящие в зоне контакта, позволяющая построить трёхмерную зависимость коэффициента сцепления от скоростей движения и скольжения колеса по рельсу для локомотивов с различными типами тяговых электродвигателей, а также прогнозировать сцепные свойства проектируемых локомотивов и уточнить механизмы срыва и восстановления сцепления.
Достоверность результатов исследования основывается на корректном использовании положений физики твердого тела и методов численного моделирования взаимодействия колеса локомотива с рельсом, а также колебательных процессов в тележке и тяговом электроприводе электровоза.
Практическая ценность результатов:
- разработаны на уровне изобретений способ и устройство
для увеличения сцепления колес локомотива с рельсом;
- предложенная модель сцепления позволяет более точно
оценить сцепные свойства на стадии проектирования локомотива
с различными типами его тяговых двигателей, а также оценить
электромагнитные, электромеханические и механические процес
сы, протекающие одновременно как в силовой части локомотива,
так и непосредственно в пятне контакта колеса с рельсом, при
обычных и повышенных осевых нагрузках;
- разработана программа расчета величины скольжения и силы сцепления колеса с рельсом в пакете MATLAB, позволяющая моделировать процесс движения колеса локомотива по рельсу в различных режимах тяги и торможения;
установлена причина автоколебаний колеса локомотива при срыве его сцепления с рельсом и доказаны преимущества применения тяговых электродвигателей с жесткими характеристиками для улучшения сцепных свойств локомотивов;
подтверждена целесообразность кратковременного буксования локомотива при шунтировании резистором обмоток якоря тягового двигателя последовательного возбуждения, с целью повышения его тяговых и сцепных свойств, а также увеличения массы поезда;
Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в открытой печати и докладывались на научно-практических конференциях: "Колесо-рельс 2003г., круглый стол", Москва, МПС РФ, ВНИИЖТ, 2003 г.; на XI и XI1 Международных конференциях "Проблемы механики железнодорожного транспорта", Днепропетровск, 2004г. и 2005г.; на семинаре «Механика фрикционного взаимодействия твердых тел имени И. В. Крагельского» института проблем механики РАН; на Всероссийской научно-практической конференции "Транспорт России: проблемы и перспективы" на XI научно-практической конференции "Безопасность движения поездов" проблемы и перспектива", на научном семинаре Ростовского государственного университета путей сообщения, на научном семинаре Брянского государственного технического университета, на семинаре «ВНИИКТИ».
Диссертационная работа доложена на расширенных научных семинарах и заседаниях кафедры "Электрическая тяга" МИ-ИТа.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 22 научные работы из них 15 в изданиях, рекомендованных ВАК, три работы в трудах международных конференций, получено два авторских свидетельства.
Структура и объем диссертации:
Работа содержит 270 стр. текста, 3 приложения, 85 иллюстрации, 146 наименований в списке литературы.
Цели и задачи работы
При проведении тяговых испытаний, а также в практике эксплуатации подвижного состава считалось недопустимым длительное скольжение колес. При малейшем срыве сцепления любой из колесных пар немедленно принимались меры по его устранению либо за счет сброса нагрузки, либо подачи песка под колеса локомотива [16,17]. Считалось, что подобный режим их работы во избежание интенсивного износа колёс и рельсов не должен быть продолжительным [18].
В работах [16,17] были даны практические рекомендации по подаче песка под колеса локомотива, с целью недопустимости буксования.
Для обработки результатов экспериментов обычно использовались методы усреднения опытных данных и разработанный И. П. Исаевым [12] вероятностный анализ результатов эксперимента. Наиболее характерные зависимости усреднённых коэффициентов сцепления колёс подвижного состава от скорости его движения и аналитические формулы для их описания, используемые в ряде стран мира, представлены в табл. 1.1.
Как правило, при проведении опытных поездок с подвижным составом фиксировались лишь условия проведения испытаний (тип локомотива, сила тяги, скорость движения, погодные условия - дождь, туман, снег, яс 17 но и т.п.) [19]. Каждый раз подчёркивалась важность физических процессов, происходящих в зоне трения колёс с рельсами. Коэффициенты сцепления, реализуемые выше и ниже их расчётных зависимостей от скорости движения поезда, считались "выбросами" и не учитывались. Однако было зафиксировано и то, что более высокие коэффициенты сцепления реализуются в сухую погоду, а более низкие на увлажнённых рельсах. Как использовать реализацию более высоких по сравнению с расчётными коэффициенты сцепления было не известно, а с более низкими боролись подачей кварцевого песка в зону контакта колеса и рельса.
Основное внимание в исследованиях было обращено на зависимость коэффициента сцепления от скорости движения. Предпринимаемые попытки повышения уровня и степени стабилизации сцепления с помощью механических, электрических, химических и других методов воздействия на колёса и рельсы [20,15] не всегда приводили [21,22] к устойчивым положительным и однозначным результатам.
Влияние погодных условий на величину сцепления явилось особым предметом исследования ряда авторов. X. Эндргас [23] в 1955 г., изучая закономерности изменения коэффициентов сцепления на участке пути длиной L с расположенной на нем станцией, показал, что коэффициент сцепления локомотива незначительно колеблется в течение одной поездки и значительно меняется от поездки к поездке. Более высокие коэффициенты сцепления реализуются на сухих рельсах, а более низкие на влажных рельсах. При этом, такисе, наблюдалась тенденция уменьшения коэффициента сцепления с ростом скорости V движения локомотива, как на сухих, так и на влажных рельсах. Однако, в обоих случаях отклонение измеренных коэффициентов сцепления от усредненных величин, представленных на этих рисунках в виде сплошных линий, имеет достаточно большой разброс.
В разное время в 30 -40 г.г XX века А. Мюллером [6], Т. Мецковым [24], Е. Куртисом и А. Книфлером [10] и в середине 60 годов М. Бернар 18 дом и Ф. Новионом [21], Ф. Новионом [22], X. Лукасом и А. Робертсоном [25] были получены аналогичные результаты при измерении коэффициента сцепления колес с рельсами в зависимости от скорости движения (рис. 1.3) и влажности на рельсе.
Термодинамика взаимодействия поверхностей металлов и участие дис локаций в этом взаимодействии
Если деформация не слишком велика, то в решётке накапливается примерно 10% энергии, затраченной на пластическое течение. Однако, если пластическое течение продолжается, то величина накапливаемой кристаллом энергии приближается к насыщению. Наблюдаемые значения накопленной энергии приведены в табл. 2.1. Если энергия дислокации на единицу ее длины равна 5-10шдж/м, то на 1см3 кристалла приходится 4-Ю11 см дислокационных линий, т. е. плотность дислокаций будет составлять в среднем 101 см2. Это означает, что через квадратную площадку со стороной 100 межатомных расстояний будет проходить в среднем одна дислокация. Эта оценка соответствует глубоко деформированным металлам, в которых накопленная энергия за счет дислокаций оценивается в 2-105дж/м2.
Величина энергии, накопленной при пластической деформации, была определена для латуни и железа из анализа уширения рентгеновских дифракционных линий [75]. Полученные в этой работе результаты по порядку совпадают с найденными из калориметрических измерений. Изучение формы линий позволяет сделать вывод о том, что большая часть деформации является неоднородной на протяжении нескольких элементарных ячеек. Это подтверждает справедливость дислокационной модели и указывает па то, что на поверхности металла имеются области вблизи точки выхода дислокации, деформация которых далеко выходит за пределы упругости.
Рассмотрим увеличение концентрации дислокаций в кристалле при его пластической деформации. Измерения концентрации дислокаций в процессе деформации [76] показали, что концентрация дислокаций увеличивается в 103 раз. Кроме того, если одна дислокация проходит вдоль всей плоскости, то это должно вызывать на поверхности смещение одной атомной плоскости, тогда как в действительности [76], смещенными на поверхности оказываются в 102-103 раз больше плоскостей. Для объяснения этого эффекта У. Франк и В. Рид [76] предложили модель размножения дислокаций, которую проанализируем ниже. Рассмотрим замкнутую дислокационную петлю радиуса Г, которая охватывает область, претерпевшую сдвиг. Такая дислокация будет частично винтовой, частично краевой, а на большей части длины - смешанного типа. Поскольку энергия деформаций, связанных с дислокационной петлей, возрастает пропорционально длине петли, последняя будет стремиться сократиться. Однако, если при этом действует скалывающее напряжение т, способствующее развитию сдвига, то петля будет стремиться расшириться. Найдем связь между величиной скалывающего напряжения и радиусом петли, которая позволит определить, при каком радиусе петля будет находиться в равновесии, т. е. будет обладать минимумом энергии (устойчивое равновесие), либо максимумом энергии (неустойчивое равновесие). Для упрощения расчетов, упругую энергию на единицу длины дислокации (2.6) и (2.8) примем равной
Кроме того, функцию In — , которая приближенно равна In —, для круг r0 b лой дислокационной петли радиуса г аппроксимируем числом І71, по 53 скольку эта функция имеет примерно такое же численное значение, в слу чае изменения отношения — в интервале 10 до 10 . В таком приближении ъ Gb2 упругая энергия на единицу длины дислокации будет равна . Тогда упругая энергия дислокационной петли радиуса г будет равна mGb . Если петля образовалась при наличии напряжения сдвига т , то энергия кристалла уменьшится на величину, обусловленную напряжением сдвига т, равную энергии, содержавшейся внутри дислокационной петли. Эта энергия равна произведению тЬ на площадь петли, т.е. 70" тЬ Результирующее изменение энергии, связанное с образованием дислокационной петли, можно записать в виде разности АЕ = 70-Gb1 - 7w2rb. (2.11) Функция АЕ имеет максимум, lr G когда
Таким образом, получилось условие неустойчивого равновесия: отношение критического диаметра круглой петли к величине вектора Бур-герса равно отношению модуля сдвига к напряжению сдвига. Поскольку последнее отношение для большинства кристаллов порядка 103 - 104, сле довательно, и отношение —имеет тот же порядок величины, если выпол b няется ранее сделанное предположение о том, что In — -7.71. b Круглые петли, имеющие диаметр меньше критического, будут самопроизвольно стягиваться, а петли с диаметром большим критического -самопроизвольно расширяться. Следует заметить, что при критическом диаметре петли энергия петли равна AE = лС2Ь2 4r (2.13) что значительно, на много порядков, превышает к Т - тепловую энергию атомов. Это означает, что тепловая энергия не может быть причиной возникновения и размножения дислокаций и что дислокации существуют в кристалле еще до начала скольжения, а возникновение новых дислокаций связано с чисто механическими процессами. Рис 2.9. Сетка дислокаций в кристалле AgBr В работе [77] показано, что дислокации редко располагаются строго в одной плоскости скольжения, в подавляющем числе они переходят из одной плоскости скольжения в другую, пока не достигнут поверхности кристалла или не пересекутся с другими дислокациями в узлах дислокационной
Принципы построения модели сцепления колеса с рельсом и факторы, определяющие процесс сцепления
При наличии песка на поверхности рельса, покрытого льдом, действует вертикальная переменная составляющей силы со стороны колеса на рельс из-за неравномерной дисперсности песка на площади занимаемой им на рельсе. В результате происходит растрескивание льда и очищение от него рельса [95].
При загрязнении масляными пленками протяженных участков пути подача песка оказывается малоэффективной, происходит срыв сцепления колеса локомотива, тем самым снижается пропускная способность. С целью повышения коэффициента сцепления на загрязненных участках, исключения случая срыва сцепления колеса локомотива на них, были разработаны способ и устройство для удаления с помощью ультразвука с поверхности рельса органических загрязнений [138,139].
Для этого на локомотив были уставлены ультразвуковой генератор мощностью на выходе 20кВт, частотой 18кГц и заправочная емкость с 20% водным раствором калиевой соды. В качестве излучателя был использован стандартный излучатель для указанной частоты УИ - 18м, представляющий собой цилиндр высотой 150мм и диаметром основания, с которого происходит излучение, 12мм. Два излучателя с помощью горизонтальной консоли длиной порядка 300мм закреплялись к передней выступающей части локомотива с двух сторон параллельно рельсу на расстояние 10мм от него. Во избежание колебаний консоли и места крепления её к локомотиву излучатель крепился к пружинному демпферу, который в свою очередь к консоли. По гибким трубам подавалась вода к поверхность излучателя. Включение генератора и подачи жидкости на поверхность излучателя, приводило к возникновению кавитации (взрыва) в турбулентном слое жидкости между рельсом и излучателем с частотой генерируемого сигнала 18кГц. Предположительно за одну миллисекунду в объеме между излучателем и поверхностью рельса возникало до 50 кавитаций, которые очищали поверхность рельса от загрязнений при движении локомотива со скоростью до 40 км/час.
Данное устройство было испытано на Прибалтийской железной дороге на участке Рига -Даугавапилс и показало хорошие результаты. На основании результатов испытаний были получены авторские свидетельства.
Основными факторами, приводящими к разрушению пленок на поверхности рельса, являются: различие в объемной деформации окисла и стали, различие в значении их коэффициентов теплового расширения, а также скольжение соприкасающихся поверхностей стали с нанесенными на них окисными пленками.
Любая пленка на поверхности рельса является препятствием для установления физического взаимодействия между колесом и рельсом.
Известны жидкостные, электрические (плазменные), лазерные и магнитные методы разрушения окисной пленки на поверхности рельса, с нанесенными на нее загрязнениями [86]. Названные активные методы мало эффективны [37] и незначительно меняют величину коэффициента сцепления. Это объясняется тем, что, как было отмечено раннее, время адсорбции кислорода на поверхность рельса, при нормальном давлении, составляет порядка 10" с, поэтому данные методы не позволяют освободиться от окисной пленки на поверхности рельса. Контролирующим параметром при сварке в твердой фазе стальных деталей (сварка давлением) является степень деформации заготовок, необходимая для разрушения окисной пленки на их поверхностях. Трение скольжения часто используют при сварке в твердой фазе. Это позволяет без предварительной очистки сваривать детали из различных сталей [55]. Как показал Дж. Уайтхед [81], при таком виде сварки трение скольжения дополнительно разрушает окисную пленку и последующее схватывание тем легче, чем выше отношение твердостей пленки и металла. Р. Талькот [82] построил зависимость необходимой минимальной деформации (dmjn) для установления захватов от отношения твердостей окисной пленки и металла Н0К1Нмещ и трении скольжения (рис. 2.17).
Основы теории автоколебаний, причины возникновения и основные характеристики
В силу того, что в системе колесо-рельс происходит пластическая деформация, решение контактных задач не может служить методом определения величины сцепления колеса с рельсом. По этому, возникает настоятельная необходимость в разработке физической модели сцепления, рассматривающей влияние на сцепление, процессов, происходящих в объеме колеса и рельса.
Предлагаемая физическая модель сцепления колеса с рельсом построена с учетом термодинамики взаимодействия двух стальных поверхностей с учетом отсутствия на них шероховатости. Утверждение отсутствия шероховатости на поверхности рельса основывается на следующем. Предел текучести колесной стали Р 65 в пределах 600 МПа, а давление со стороны колеса на рельс при минимальной нагрузке на ось 20 т=2-10 Н составляет 667 МПа (площадь контактной площадки в среднем равна 150-10"6 м2). При таком соотношении давления на рельс и предела его текучести, с учетом скольжения колеса по рельсу, утверждение об отсутствии шероховатости на поверхности колеса рельса полностью обоснованно.
Физическая модель сцепления колеса с рельсом построена на следующих принципах: - сцепление колеса с рельсом определяет микропроцесс, происходящий на контактной площадке, представляющий собой взаимодействие группы атомов колеса и рельса {захват), осуществляемый в результате образования активных центров на поверхностях колеса и рельса за счет действия на них нормального и тангенциального давления; - окисная пленка, имеющаяся на поверхности рельса с нанесенными на ней загрязнениями, в процессе скольоісения колеса по рельсу разрушается ввиду разности величин коэффициентов теплового и объёмного расширения рельса и окисла; - величина силы сцепления определяется силой разрушения захватов, имеющихся в данный момент времени на контактной площадке.
Одним из факторов, определяющих вероятность осуществления захвата, является температура поверхностных слоев колеса и рельса, находящихся в контакте [126]. Выход на поверхность дислокаций, являющихся донорами энергии для установления захватов, в первую очередь, определяется температурой поверхностных слоев. Разрушение окисных пленок, препятствующих установлению захватов, происходит таюке благодаря нагреву поверхностного слоя рельса и пленки на нем ввиду разности значений их коэффициентов теплового расширения. Отметим, что нагрев поверхности колеса и рельса происходит за счет тепла, выделяемого при скольжении колеса. Таким образом, для реализации принципов построения модели определим температуру поверхности колеса и рельса при скольжении колеса.
Не рассматривая теорию тепловой динамики в зоне контакта колесо-рельс, найдем температуру в поверхностных слоях колеса и рельса. В этих слоях скапливается большое число дислокаций из-за сильного наклепа на поверхности колеса и рельса, а выход их на поверхность определяет число активных центров захвата и зависит от температуры [88]. При расчете температуры на контактной площадке при условии движения колеса со скольжением источниками тепла являются точки соприкосновения колеса и рельса. Если согласиться с этим очевидным фактом, то это означает, что третье тело отсутствует. Использование дифференциального уравнения теплопроводности при движении источника тепла, когда мощность, выделяемая им, является функцией времени, некорректно. Кроме того, решением дифференциального уравнения является уравнение, описывающее тепловые потоки в различных направлениях, что не является целью настоящей работы.
В работе [68], понимая, что непосредственно стержневую модель распространения тепла от двигающегося источника тепла (колесо) применить нельзя, заменяют пару колесо — рельс контактом двух тороидальных роликов с встречным вращением и проскальзыванием. Подобная замена без доказательств необоснованна. Соответствие взаимодействия пары колесо - рельс и тороидальных роликов при решении тепловой задачи следует доказать, в частности с помощью критериев подобия, в ином случае, замена не адекватна. К тому же в названной работе, при решении тепловой задачи от двух роликов с использованием стержневой модели получено выражение, не зависящее от относительной скорости скольжения. Это означает, что полученное в этой работе уравнение абсолютно не соответствует процессам, происходящим в пятне контакта при диссипации энергии в системе колесо - рельс.
Следует отметить, что существует распространенное ошибочное мнение [68,91], что величина (р-к С) , входящая в уравнение теплопроводности, слабо зависит от температуры. В этом выражении представлены параметры среды: плотность р, теплопроводность к и теплоемкость С. В стали колеса и рельса эти значения значительно меняются при изменении температуры от ОК до температуры Дебая (560К): р=ЛЛк=у(Г2),С= р(Т ) [57].
Предлагаемый способ для определения температуры поверхности колеса и рельса на контактной площадке является предпочтительным так как поверхность контакта колесо-рельс рассматривается как одно целое. К тому же, процессы сцепления и скольжения являются термодинамически неравновесными процессами, охватывающими ограниченную область колеса и рельса, а также времени. В силу этого, параметры среды р, к, С в ограниченной области меняются незначительно, и их можно считать постоянными.
Похожие диссертации на Прогнозирование сцепных свойств локомотивов с различными типами тяговых электродвигателей
