Введение к работе
Актуальность темы исследования. Задача выявления и
предотвращения потери сцепления появилась в тот же период, когда были
созданы самодвижущиеся колесные экипажи. В силу постоянного увеличения
мощности приводов колесных пар железнодорожного транспорта,
увеличивается и вероятность возникновения потери сцепления, следовательно, в железнодорожном транспорте данная проблема наиболее актуальна. Несмотря на обманчивую простоту, проблема сцепления колеса с поверхностью дороги является одной из давних и наиболее сложных проблем колесного транспорта.
В связи с тем, что сцепление колес с рельсами в значительной мере влияет на тяговые свойства локомотива, по всему миру интенсивно проводится поиск методов обнаружения и предотвращения потери сцепления.
Задача выявления потери сцепления на ранней стадии является весьма сложной из-за того, что на формирование пятна контакта колеса и рельса оказывает влияние большое количество условий, например, неоднородность нагрузки на рельс во время движения, влияние взаимосвязанной группы тяговых двигателей экипажа и ряд других условий.
Работы по модернизации способов выявления и прогнозирования потери сцепления ведутся по многим направлениям. В качестве признаков, несущих информацию об изменяющемся состоянии фрикционного контакта колес с поверхностью рельс, как правило, рассматриваются показатели процессов, протекающих в электрической и механической части привода колеса.
Принцип работы устройств, предназначенных для обнаружения потери сцепления основывается на выборе физической величины, на которую реагирует датчик. Процесс потери сцепления характеризуется созданием большего значения ускорения боксующих колес по сравнению с возможным ускорением поезда, а также повышением скорости их вращения и сопровождается увеличением электродвижущей силы. Данные характеристики используются для выбора принципа действия датчика, определяющего потерю сцепления.
Степень разработанности темы. При создании современных транспортных средств перед разработчиками стоит задача обеспечения возможности управления процессами разгона и торможения. При этом преследуются такие цели, как безопасность передвижения, надежность транспортного средства, минимальный тормозной путь. Первые работы в области контактного взаимодействия были проведены Г. Герцем. Развитием теории контактного взаимодействия занимались такие ученые, как Г. Беккер, Н.М. Беляев, Буссинеский, И.Г. Горячева, А.Н. Динник, Н.Е. Жуковский, В.В. Исаев, Дж.Дж. Калкер, Ф. Картер, А.Я. Коган, И.В. Крагельский, Ю.М. Лужнов, X. Марун, Мусхелишвили, И. Рокар, И.Я. Штаерман, Черрути,
А.В. Чичинадзе, Г. Фромм и др. Решением вопросов состояния поверхностей
занимались А.Ю. Ишлинский, И.В. Крагельский, И.П. Исаева, Ю.М. Лужнов,
С.А. Кондратенко и др. Многочисленные исследования динамики колесных
систем были направлены на изучение трибосопряжения в зоне взаимодействия
колеса с рельсом. Начиная с 1930 года Н.Д. Папалекси, А.А. Андроновым,
С.Э. Хайкиным, А.Ю. Ишлинским, И.В. Крагельским, В.Л. Заковоротным,
В.В. Шаповаловым, С.М. Захаровым проводились исследования устойчивости
систем, взаимодействующих с трибосредой. В силу постоянного увеличения
мощности приводов колесных пар железнодорожного транспорта,
увеличивается и вероятность возникновения потери сцепления, следовательно, в железнодорожном транспорте проблема выявления и предотвращения потери сцепления наиболее актуальна. Задача выявления потери сцепления на ранней стадии является весьма сложной из-за того, что на формирование пятна контакта колеса и рельса оказывает влияние большое количество различных условий.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является прогнозирование потери сцепления колесных пар железнодорожного транспорта на основе раскрытия свойств упругого проскальзывания и перехода на относительное скольжение.
Задачи исследования:
1. Исследование и анализ динамических свойств трибоконтакта,
разработка модели динамической связи, формируемой трибосредой в системе
“колесо-рельс”, разработка методики идентификации системы и ее
характеристик.
-
Построение математической модели системы “колесо-рельс” позволяющей моделировать её динамику. Математическая модель должна учитывать: трибологические процессы, протекающие в пятне контакта обода колеса и железнодорожного рельса, деформационные процессы, протекающие в ободе колеса, влияние нормальных и тангенциальных вибраций на динамику системы.
-
Анализ отображения изменения динамических характеристик трибосреды пятна контакта в сигналах виброакустической эмиссии посредством изучения динамики системы “колесо-рельс”.
-
Разработка методики выделения информационной составляющей из наблюдаемого вибрационного сигнала. Формирование диагностических признаков предсрывного состояния.
-
Разработка структурной схемы программно-аппаратного комплекса динамической диагностики состояния контакта системы “колесо-рельс”.
Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:
-
Предложены новые методы изучения свойств трибоконтакта как динамической связи, которая объединяет в единую систему взаимодействующие объекты. На основании данных методов предложены уравнения связей и их параметрическая идентификация. Это позволило раскрыть наиболее важные особенности фрикционной связи, которые заключаются в нелинейной зависимости нормальной и тангенциальной сил от сближения контактирующих поверхностей, а также в запаздывании тангенциальной составляющей реакции связи от изменения её нормальной составляющей.
-
Исследование свойств трибоконтакта выполнено на элементарном контакте. В работе предлагается методика переноса свойств элементарного контакта на контактирующие поверхности сложной геометрической формы, что справедливо для системы «колесо – рельс».
3. Предложена математическая модель системы «колесо – рельс»,
которая учитывает, как пространственное движение, так и свойства трибосреды,
формируемой в пятне контакта. Полученная модель позволила изучать
отображение изменения условий функционирования зоны контактирующих
поверхностей в координатах динамической системы.
-
Посредством численного моделирования обнаружено явление, суть которого заключается в несоответствии фактической скорости качения колеса её идеальному расчетному значению (в отсутствие потери сцепления). Интенсивность данного явления определяется как параметрами жесткости колеса, так и условиями, в которых осуществляется движение. Явление носит деформационную природу и получило условное название “деформационное скольжение”.
-
В работе установлено, что деформационное скольжение приводит к снижению скорости качения колеса и находится в квазилинейной зависимости от величины нагрузки, препятствующей качению.
6. В исследовании обнаружено, что процесс потери сцепления
сопровождается структурными изменениями, протекающими в зоне контакта,
отражающимися на динамических свойствах контакта. В частности, обнаружено
изменение свойств динамической связи между нормальными и
тангенциальными колебаниями колеса. Так, например, по мере приближения к
срыву нормальные колебания оказывают большее влияние на интенсивность
деформационного скольжения. На основании этого в работе предложен
диагностический признак для обнаружения предсрывного состояния колеса.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость заключается в следующем:
1. Предложена концепция математического моделирования
деформационных процессов, протекающих в колесных системах. На её основе
разработана математическая модель системы «колесо – рельс». Данная модель может быть использована для исследования механизмов преобразования вращательного движения в поступательное, применительно к широкому классу колесных систем.
-
На основе математического моделирования выполнены исследования свойств системы «колесо – рельс», позволившие выявить новые, ранее не рассматриваемые динамические свойства. В частности, обнаружен эффект деформационного скольжения, оказывающий влияние на скорость качения колеса даже в случае наличия полного зацепления колеса с дорогой.
-
Аналитически показано изменение площади фрикционного контакта в зависимости от тангенциальной нагрузки, скорости псевдоскольжения и других параметров системы.
4. Изучено влияние параметров системы «колесо – рельс», а также
внешних по отношению к ней возмущающих воздействий на динамические
характеристики зоны трибосопряжения и деформационные процессы,
протекающие в ободе колеса.
5. Исследование динамики системы, выполненное на цифровых моделях,
позволило обнаружить диагностические признаки предсрывного состояния. На
их основе предложена новая методика динамической диагностики предсрывного
состояния в системе “колесо-рельс” посредством спектрального анализа
вибрационных сигналов, снимаемых с железнодорожного колеса в нормальном
и тангенциальном направлениях.
Практическая значимость заключается в том, что полученные результаты, разработанные научные подходы и методы позволили определить не рассматриваемые ранее пути идентификации потери сцепления системы «колесо – рельс»:
-
Разработаны алгоритмы и методы идентификации состояния пятна контакта системы «колесо – рельс», позволяющие рассматривать влияние на динамику различных конструктивных особенностей узлов качения на стадии проектирования.
-
Создан математический метод и предложен программно-аппаратный комплекс для диагностики состояния, предшествующего потери сцепления колеса с рельсом.
3. Предложенные алгоритмы без существенных изменений могут
использоваться для решения иных задач, например, для решения задач
позиционирования колесных систем.
Методология и методы исследования. При решении поставленных в
диссертации задач использовались: методы математического моделирования
динамических систем, теория автоматического управления, теория
дифференциальных уравнений, методы динамики твердого тела, методы и алгоритмы обработки цифровых данных.
Положения, выносимые на защиту.
Теоретические положения, касающиеся:
- предложенных методов изучения свойств трибоконтакта;
- разработанной математической модели системы «колесо-рельс» и
результатов ее исследования;
- предложенный метод идентификации предсрывного состояния системы
«колесо-рельс».
Практические решения, связанные с алгоритмами диагностики предсрывного состояния системы «колесо-рельс», и предложенным программно-аппаратным комплексом диагностирования.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов,
сформулированных в работе, основаны на использовании строгих
математических моделей и обеспечены результатами численного моделирования
и экспериментальными исследованиями, проведенными на испытательном
стенде. Основные положения работы обсуждались и докладывались на: - XII
Международной конференции “Динамика технических систем” (Ростов-на-
Дону, 2015); - XI Международной научно-практической конференции
“Современные тенденции развития науки и технологий” (Белгород, 2016); - XIII
Международной конференции “Динамика технических систем” (Ростов-на-
Дону, 2017); - ежегодных отчетных конференциях профессорско-
преподавательского состава ДГТУ (2010 – 2017 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 3 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК к публикации результатов диссертаций и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Материал диссертации состоит из введения, 4 глав, общих выводов, заключения, списка литературы из 127 наименований и 2 приложений. Текст диссертации состоит из 195 страниц машинописного текста, содержит 75 рисунков и 4 таблицы.