Введение к работе
Актуальность. При зарождении теории и практики тяги поездов детально рассматривали вопросы сцепления колеса с рельсом Формировалась экспериментальная база по определению коэффициента сцепления, а также математический аппарат для обработки полученных экспериментальных данных Однако, природа процесса сцепления колеса с рельсом, оставалась вне пределов исследований, хотя все авторы работ, посвященной данной тематике, подчеркивали настоятельную необходимость изучения физических процессов, происходящих в контакте колесо-рельс.
От процессов, происходящих в контакте колеса и рельса площадью порядка 1,5см , зависит работа подвижного состава железных дорог Поскольку потребляемая энергия реализуется в этом контакте, а эффективное использование этой громадной по величине энергии зависит только от сцепления колеса с рельсом Однако процессы, происходящие на контактной площадке колеса с рельсом, до настоящего момента не изучены
Для изучения природы сцепления колеса с рельсом были предложены многочисленные теории Основные из них - теория пластического деформирования И Гранвуане, теория продольного крипа О Рей-нольдса 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 рассмотрено в работах И Г Горячевой Однако достигнутый уровень науки о трении качения со скольжением до сих пор не позволяет объяснить теоретически основные закономерности, наблюдаемые в практике качения колеса по рельсу
Второе столетие проблема сцепления колеса с рельсом является предметом рассмотрения многих ученых у нас в стране и за рубежом. Международная конференция по сцеплению (Лондон, 1963 г) констатировала, что «мы абсолютно не знаем, что происходит при движении стального колеса по рельсу» 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» Знание этих процессов необходимо практике эксплуатации железнодорожного транспорта при принятии решений о твердости стали рельса и колеса, о ее качественном составе и о режимах тяги железнодорожных составов
Поэтому настоящая работа, посвященная изучению физического процесса сцепления колеса с рельсом, является актуальной.
Целью работы является разработка модели сцепления колеса и рельса, возникающее при взаимодействии ходовых частей подвижного состава и пути, на основе представлений физики твердого тела о трении качения со скольжением, как результате разрушения взаимодействия между атомами, расположенными на поверхностях, соприкасающихся металлических объектов Для достижения цели исследований в работе поставлены и решены следующие задачи
- исследовано влияние относительной скорости скольжения колес локомотива на температуру в пятне контакта колеса с рельсом с использованием термодинамики неравновесных процессов,
- на основе классических представлений физики твердого тела вычислена сила взаимодействия группы атомов колеса и рельса в одной активной зоне, возникшей на пятне контакта, в результате выхода на поверхность рельса и колеса дислокаций в результате действия тангенциальных сил;
- проанализирована взаимосвязь скорости деформации поверхности рельса и термической аккомодации вблизи нее на величину концентрации дислокации на поверхности рельса, и получено аналитическое выражение для определения концентрации дислокации,
- установлена причина возникновения сцепления колеса с рельсом в условиях его загрязнения и получено выражение, позволяющее найти величину силы сцепления,
- исследовано влияние силы тяги и скорости движения колеса на скорость скольжения колеса по рельсу,
- изучены влияние относительной скорости скольжения на величину силы и коэффициента сцепления, а также зависимость силы сцепления от скорости скольжения и скорости движения колеса локомотива,
- выполнена проверка адекватности теоретической характеристики сцепления путем сравнения ее с экспериментальной,
- исследовано влияние отношения твердостей рельса и его окисной пленки на образование дефектов на поверхности катания колеса, а также величины модуля сдвига рельсовой стаїи на сцепление колеса с рельсом, - установлена причина возникновения автоколебаний при срыве сцепления колеса с рельсом
Объект диссертационного исследования - система «колесо-рельс», в которую включены ходовая часть подвижного состава локомотива и верхнее строение пути.
Предмет исследования представляет собой взаимодействие ходовой части локомотива - колеса с элементом верхнего строения пути
- рельсом
Общая методика исследования:
- использованы методы физики твердого тела, в частности, методы анализа структуры твердых тел и дислокационная модель пластического течения кристаллической структуры металлов,
- методы физической химии физико-химический анализ образования окисной пленки на поверхности рельса,
- методы термодинамики обменных процессов при контакте колеса и рельса в условиях нормального и тангенциального воздействия со стороны колеса на рельс,
- метод моделирования переходных процессов в тележке и тяговом электроприводе электровоза с помощью пакета Matlab,
- методы тяговых расчетов движения одиночной колесной пары и тележки.
Научная новизна: По специальности 05 22 07 - Подвижной состав, тяга и электрификация:
- разработаны математические модели скольжения колеса по рельсу и
сцепления колеса с рельсом, получена впервые характеристика сцепления аналитическим способом на основе анализа структуры твердых тел и дислокационной модели пластического течения кристаллической структуры металлов, адекватная известным экспериментальным данным;
- доказано, что решение контактной задачи для определения силы сцепления колеса с рельсом без рассмотрения деформации сдвига приповерхностных слоев рельса приводит к ошибочным результатам;
- разработан интегральный метод расчета температуры поверхностных слоев колеса и рельса на контактной площадке, отличающийся от известных отсутствием аналогий между движением колеса по рельсу и вращением двух тороидальных роликов, которая является некорректной,
- определено, что окисные пленки, с находящимися на них загрязнения ми, на поверхности рельса разрушаются в процессе скольжения колеса по рельсу в силу разности коэффициентов теплового расширения и твердостей пленки и рельса; - установлена причина автоколебаний колеса локомотива при пробуксовке - неравновесное состояние поверхностных слоев рельса, связанное с увеличением их температуры до 1000°К
По специальности - 05 16.01 Металловедение и термическая обработка металлов:
- научная новизна моделей заключается в установлении решающей роли деформации сдвига приповерхностных слоев рельса в физических процессах, определяющих сцепление колеса с рельсом Деформация сдвига приповерхностных слоев рельса вызвана давлением со стороны двигающегося локомотива.
