Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСКОВЫХ TOR10BOB ШЕ&НОДОРОЕНОГО ІЮДВЩЇНОГО СОСТАВА. ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 2.1* История развития дисковых тормозов на железнодорожном транспорте 9
Конструкции тормозных дисков и материалы для их изготовления. Основные направления исследований 15
Конструкции тормозных накладок и материалы для их изготовлен;;*]. Основные направления исследований АО
2.4* Постановка проблемы и методы ее решения . . . . 50
3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТОР
МОЗНЫХ ДИСКОВ 53
3.1. Оценка воздействия центробежных сил на янгру&ен-
ность тормозного диска 54
3.2, Экспериментальные исследования распределения тем
ператур по фрикционные элементам 72
3.3. Исследование напрякеиво-дефоркирозашюго состоя
ния тормозных дисков под действием температурного
поля 5
3.4, Усталостные испытания тормозных дисков на стендах 130
4. ДОСЛЕДОВАНИЕ ВЕНТИЛЯЦИОННОГО AIBUaTA ТОНЮЗНЫХ ДИСКОВ Ш
4*1. Установление коэффициентов теплоотдачи б зависи
мости от скорости вращения и конфигурации вентиля
ционных каналов (50
4.2. Разработка критерия оценки эффективности вентиля
ционного аппарата и влияние ребер на напряженное
состояние І60
4,3. Разработка расчетно-экспериментальной методики
определения вентиляторной мощности ...*..,. 166
Выводы 183
5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СТАТИЧЕСКОЙ И ЛИПАМИЧЁСКОЙ
НАГРУЖЕННОСТІЇ ТОРМОЗНЫХ ДИСКОВ 185
5.1. Исследование статической прочности составных частей
тормозных дисков т
Исследование динамической напряженности тормозных дисков 208
Экспериментальное исследование тормозного диска с секционными фрикционными кольцами 2І8
Выводы 226
6. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТОРМОЗНЫХ
НАКЛАДОК .228
6.1. Разработка методики экспериментально-расчетного ис
следования зависимости фрикционных свойств тормоз
ных накладок от конструктивных факторов 229
6.2* Нахождение и интерпретация математических моделей,
описывающих связи фрикционных свойств и конструк
тивных факторов 245
6.3. Разработка методики оптимизации конструкции тормоз
ных накладок и отыскание конструктивных форм,обес
печивающих равномерное температурное поле 258
Выводы 260
7. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРО
ЕКТИРОВАНИЯ ФРИКЦИОННОЙ ПАРЫ ДИСКОВОГО ТОРГОВА 2S4
7.1. Стендовые испытания опытно-промышленных образцов
дисков секционной конструкции 2Q4
Эксплуатационные испытания тормозных дисков с тер-моразгружащими канавками на поверхности трения . .297
Методика расчета и конструирования основных элементов фрикционных пар дискового тормоза 300
Выводы 302
8. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДЛОЖЕНИИ ПО СОВЕР
ШЕНСТВОВАНИЮ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ФРИКЦИОННОЙ ПАРЫ ДИС
КОВОГО ТОРМОЗА 304
8.1.^Экономическая эффективность снижения энергетических
затрат на сагловентиляцию тормозных дисков пассажир
ских вагонов скоростных поездов 305
8.2. Экономическая эффективность внедрения на дизель-
поездах тормозных дисков с терморазгруашющиш ка
навками на поверхности трения 309
Выводы 3(3
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 3/5
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 320
ПРШЮШШЯ 339
Введение к работе
В решениях ХХУ и ХШ съездов КПСС указывается, что одним из основных путей повышения провозной способности железнодорожного транспорта является увеличение скоростей движения поездов,
Теоретически и экспериментально доказано,что на обычном рельсовом пути реально достижима скорость движения около 88 м/с (320 км/ч). Технические проблемы, связанные с созданием для перевозки пассажиров такого подвижного состава и соответствующих путей, вполне разрешимы, и осуществление этих проектов в разных странах производится поэтапно, исходя из экономической целесообразности*
Б СССР создан подвижной состав с конструкционной скоростью 55 м/с (200 км/ч). Движение таких акспрессов введено на линии Москва-Ленинград. В Японии открыто регулярное движение пассажирских поездов на линии Новая Токайдо со скоростью 69 м/с (250 км/ч). Во Франции высокоскоростная линия Париж-Лион предназначена для движения с максимальной скоростью 82,5 м/с ( 300 км/ч), но будет работать со скоростью 71,5 м/с (260 км/ч)* В ФРГ на новых линиях Ганновер-Вюрцбург и Мангейм-Штутгарт движение намечено осуществлять сначала со скоростью 55 м/с (200 км/ч), а затеи предполагается довести скорости до уровня, который принят предельным во Франции, На новой линии Рим-Флоренция максимальная скорость будет составлять 69 м/с (250 км/ч),
С увеличением скоростей движения подвижного состава предъявляются высокие требования к тормозным средствам. Применение известной конструкции колодочного тормоза с воздействием колодок на поверхности катания колес ограничено пределами их допустимого нагрева [22tI70J . Поэтому на скоростном подвижном составе в комплексе с другими тормозными средствами (электрическим и
магнитнорельсовым тормозом) получили широкое распространение дисковые тормоза.
В этих тормозах работа сил трения реализуется специальной фрикционной парой* состоящей из тормозного диска и накладок, что исключает термические воздействия на колеса. Кроме того, имеется ряд других технических и экономических преимуществ дисковых тормозов перед колодочными.
Дисковые тормоза в СССР применяются в авиационном и автомобильном транспорте, трамваях, на некоторых видах экскаваторов и самоходных грузоподъемных машин. На железнодорожном транспорте они начали применяться с 1958г. Повышение скоростей движения до 55-69 м/с (200-250 км/ч) поставило ряд новых проблем* для решения которых понадобилось проведение специальных исследований и поиски аффективных технических решений.
К числу наиболее важных проблем относятся: повышение коэффициента сцепления колес с рельсами при дисковом тормозе; уменьшение влияния неблагоприятных атмосферных условий на работу дисковых тормозов; создание тормозных накладок с высоким стабильным коэффициентом трения и большой износостойкостью; разработка надежной и долговечной конструкции тормозных дисков* обеспечивающих эффективное рассеивание энергии.
Анализ литературных источников и патентных материалов показывает, что в СССР и за рубежом б этих направлениях проводились и ведутся в настоящее время интенсивные исследования.
Разработка проблем дискового тормоза в СССР выполняется на основе фундаментальной теории торможения* разработанной в трудах отечественных ученых: П.Т»Гребенкжа, Б.Ф.Егорченко, B.U. Казаринова, Б.А.Карвацкого» Д.Э.Кармииокого* И.В.Крагельского,
В.Г.Иноземцева, Л.М.Пыжевича, А.В.Чичинадзе, В.Ф.Ясенцева и др. Вопросы обоснования применения дискового тормоза, расчета его параметров и эффективности, выбора материалов пар трения и совершенствования конструкций рассматривались в трудах С.В.Алехина, Л.А.Вуколова, Г.В.ГнеадиловоЙ, П.Т.Гребенюка, ПЛ.Двмушкина, В.Г.Инозенцева, Б.Г.Кеглина, Л*В.Козюлина, А.И.Еолесвиченко» Я-Я.Кушиера» В.И.Лариохина, БД.Панота, М.П, ІІихалевича» А. М» Кожевникова, В.П.Пацановского, Н.И.Петрова, В.Ф*Титаренко* Ю*її*Федосеева* А.М.Фурлетова.
Некоторые вопросы применения дисковых тормоаов разработаны зарубежными учеными: Е.Зандероы, МЛаплешем, Э.Мюллером, Ф.Преллером, Э.Сауывебероц, Д.Томпкиным, Г.Фазекасон, Г.Элер-сом.
Выполненные к настоящему времени BffiMIKTou, ВНИИВоы и заводами транспортного машиностроения теоретические и экспериментальные исследования позволили дать ценные рекомендации по решению некоторых проблем. В частности доказано, что применение в определенной комбинации колодочного и дискового тормоаов позволяет устранить понижение коэффициента сцепления, присущее вагонам с дисковым тормозом |54j. Для снижения вредного влияния неблагоприятных атмосферных условий на эффективность тормозов созданы специальные тормозные накладки с антиобледенитель-ныыи свойствами [l6lj. В то же время эксплуатация подвижного состава с дисковыми тормозами показала ряд существенных недостатков конструкции елементог фрикционной пары: спроектированная без соответствующих расчетных обоснований вентиляционная система тормозных дисков не обеспечивает аффективную теплоот- ) дачу и создает завышенное сопротивление движению поезда; тор-
ноэныв диски иивли низкую терноусталостную прочность; конструк-
ция тормозных накладок не позволяет полностью использовать фрикционные качества композиционного материала,
Б связи с этим становится актуальной проблема исследования, выбора параметров и разработки основ конструирования фрикционной пары дискового тормоза железнодорожного подвижного состава. Она решается в диссертации теоретическими и експериментальними методами. Главное внимание уделено:
исследованию тепловых процессов в фрикционной паре дискового тормоза и разработке методики расчета и конструирования вентиляционной системы для отвода тепла в тормозном диске;
исследованию напряженно-деформированного состояния тормозных дисков и разработке путей повышения их термоусталоср-ной прочности и долговечности;
исследованию фрикционных свойств тормозных накладок в зависимости от их конструктивных параметров и разработке методики выбора конструкции тормозных накладок.
Основные теоретические и экспериментальные работы выполнены в Хабаровском институте инженеров железнодорожного транспорта.
Автор выражает глубокую признательность сотрудникам ВНИИЖТа - докторам технических наук В.Г.Иноземцеву и П.Т.Гребенюку, кандидату технических наук Г.В.ГиездиловоЙ; работникам Рижского вагоностроительного завода - главному инженеру П.Р.Семенову, главному конструктору по дизель-поездам Б.П.Пацановскому, заместителю главного конструктора А.М.Фурлетову, начальнику конструкторского бюро Я.Я.Кушнеру; работникам МПС ~ заместителю начальника отдела Главного управления вагонного хозяйства ПЛ.Демуш-кину» главному технологу Главного управления локомотивного хозяйства И.В.Абашкину за ценные советы, сотрудничество в исследованиях и помощь во внедрении данной работы.
2. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСКОВЫХ ТОРМОЗОВ ХЕЛЕЗНОДОРОЯНОГО ПОРИЖНОГО СОСТАВА, ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
2Л. История развития дисковых тормозов на железнодорожном транспорте
Дисковий тормоз» в котором тормозной аффект создается при трении колодок (большее распространение получил термин - накладок) по тормозным дискам, расположенный на колесных парах, начал применяться на железнодорожном транспорте с середины 30-х годов» но особенно широко в последние роды в связи с развитием скоростного движения. При проектировании вагонов скоростных поездов учитывается* что электрическое торможение наиболее эффективно при торможении с больших скоростей и на уклонах* Магнитно-рельсовый тормоз применяется только при вкстренных Т0рИ8ЖЄ~ ииях. Поэтому фрикционный дисковый тормоз на скоростных поездах является основным, который должен обеспечить необходимую тормозную эффективность при отказе других тормозных систем.
Фрикционная пара диского тормоза дает возможность реализовать более высокий и налозависящий от изменения скорости коэффициент трения. Благодаря атому тормозной путь со скорости 44 м/с (160 км/ч) сокращается на 35-40$ по сравнению о вагона^ ми, оборудованными колодочными тормозами с чугунными колодками, у которых коэффициент трения в диапазоне скоростей от 14 м/с (50 км/ч) до 0 возрастает более чем в 3 раза.
При дисковом тормозе процесс трения снят с поверхности катания колеса, и поэтому интенсивность нарастания проката значительно уменьшается, а тепловые дефекты исключаются. Это резко увеличивает долговечность колесных пар. По данным ВНИЙВ срок службы колес при композиционных колодках составляет 5 лет,
при чугунных колодках - 6,2 года, а при дисковом тормозе -12,5 лет.
Композиционные накладки дискового тормоза намного долговечнее тормозных колодок. В среднем за год по данным ВШИБ комплект чугунных колодок на пассажирском вагоне сменяется 7 раз, а композиционных накладок дискового тормоза - 2 раза.
Впервые дисковые тормоза в СССР были использованы для торможения трамвайных вагонов серий С,М,КТМ-І, КТП-І и РВЗ, а на железнодорожном транспорте они появились в 1958г. К 1967 году было оборудовано более 150 вагонов. Это были вагоны локомотивной тяги для поезда "Аврора", дизель-поезда ДРІ, моторные и прицепные вагоны электропоездов ЭР-П и ЭР-22.
Первая партия, состоящая иг 15 вагонов межобластного типа, выпущенная Калининским вагоностроительным заводом в 1961г., предназначалась для движения со скоростью до 33 м/с (120км/ч). Дизель и электропоезда могли развивать скорость 33-36 м/с (120-130 км/ч), а вагоны поезда "Аврора" (выпуска 1965г.) предназначались для скорости 44 м/с (160 км/ч).
Дизель-поезда ДРІП выпускаются в настоящее время серийно. Они широко используются в пригородном движении на неэлектрифи-цированных участках железных дорог.
При освоении новой тормозной техники выяснилось, что по тормозной эффективности дисковые тормоза удовлетворяют требованиям эксплуатации, однако выявились недостатки тормозных дисвов (низкая надежность креплений дисков к ступицам, образование трещин на поверхностях трения фрикционных колец), нестабильность коэффициентов трения тормозных накладок при изменении метеорологических условий и другие недостатки [24]. Тем не менее успешный опыт эксплуатации позволил конструкторам приме-
нить дисковые тормоза на подвижном составе, предназначенном для движений со скоростями до 55 н/с (200 км/ч).
В настоящее время в СССР построены и испытаны два скоростных пассажирских поезда, оборудованных диеновыми тормозами. Поезд с вагонами локомотивной тяги конструкции Калининского вагоностроительного завода получил фирменное название "Русская тройка". Отсюда образована и заводская марка вагонов РТ-200 ("Русская тройка", максимальная скорость 200 км/ч). Электропоезд конструкции Рижского вагоностроительного завода с конструкционной скоростью 200 км/ч - заводская марка ЭР-200 - имеет два головнях прицепных вагона с кабинами управления поездом и остальные моторные вагоны. В 1981г. на Рижском вагоностроительном заводе начат выпуск скоростных трамваев с дисковыми тормозами.
За рубежом дисковые тормоза применяются на подвижном составе ряда капиталистических и социалистических стран.
В 1934г. фирма "БСИИ в Германии разработала такой тормоз для скорого поезда "Летающий Гамбуржвц". Тормозной диск в этой конструкции располагался на колесе, а торможение осуществлялось двуня парами тормозных накладок, трущихся по каждому диску.
Фирма "БСИ" выпускала дисковые тормоза двух вариантов: од-нодисковые, устанавливаемые на оси; с двойными дисками, устанавливаемыми на колесных центрах. Первый вариант тормоза применялся на коротких дизель-поездах "Уердинген", а второй вариант - на более тяжелом подвижном составе и скорых поездах Германии.
Другой известной фирмой в этой области в ФРГ является фирма "Кнорр-Бремзе". Ею разработаны оригинальные конструкции тормозных дисков, устанавливаемых на средней части оси и на колесе.
\ї
Тормозные диски пКнорр-Бреызеп эксплуатируются на автомотрисах, вагонах TEE, пассажирских поездах ЕТ27, тепловозах серии 160 с гидравлической передачей, а также поставляются во многие страны мира (Швецию, Данию, Францию, Аргентин; и т.д.) [і6з]«
В 1965г. в ФРГ был испытан поезд с локомотивной тягой "Спе-циадьп, рассчитанный на скорость 200 км/ч. Дисковые тормоза этого поезда обеспечивали тормозной путь при экстренном торможении со скорости 200 км/ч, равный 2250 м.
В настоящее время государственные железные дороги ФРГ заказывают подвижной состав, оборудованный только дисковыми тормозами.
В Англии испытания дисковых тормозов были начаты фирмой "Гирлинг11 в 1955г. на двухвагонной эледтросекции, имеющей максимальную скорость SO м/с (109 км/ч). Испытывались оба типа тормозных дисков: осевые и колесные 1?] * Испытания показали, что на сухих или очень влажных рельсах тормозной путь и замедление у опытной электросекции были не хуже, чем у обычной, оборудованной колодочным тормозом. Однако, экономические показатели у дискового тормоза оказались лучше. При испытаниях на экспериментальном кольце 12-вагонного поезда после 200 торможений со скорости 44 м/с (160 км/ч) износ накладок оеставля^ме-нее 5% от предполагаемой их долговечности, в то время как тормозные колодки колодочного тормоза полностью изнашивались после 50 торможений.
В 1969г. фирма пГирлингп оборудовала дисковыми тормозами
1000 пассажирских вагонов серии UK-И, а в 1970г. - вагоны
МК-Ш, рассчитанные на скорость 55 м/с (200 км/ч) [l67, 168].
Дисковыми тормозами английские фирмы оборудуют также грузовые вагоны (хопперы и цистерны), причем применение их на грузовом
подвижном составе объясняется в первую очередь причинами экономического характера: срок службы фрикционных накладок в 10 раз превышает срок службы чугунных колодок при одновременном облегчении тормозного оборудования и упрощении его устройства, В последнее время в Англии ежегодно оборудуются дисковыми тормозами более 5000 колесных пар.
С известной осторожностью относились к применению дискового тормоза французские специалисты железнодорожного транспорта. Основной причиной этого являлись худшие показатели по коэффициенту сцепления колес с рельсами и ряд других недостатков. Однако последние годы характеризуются во Франции интенсивными исследованиями различных конструкций дисковых тормозов [?Ij.
Б 1970г. были проведены испытания вагонов локомотивной тяги с дисковым тормозом при скорости движения 74 м/с (69 км/ч) и построен турбопоезд &TG с конструкционной скоростью 55 м/с (200 км/ч), оборудованный дисковым тормозом.
Б США фирма "Бадд" начала оборудовать дисковыми тормозами пассажирские вагоны в 1936г. В послевоенные годы насыщение ими вагонного парка велось довольно интенсивно. Например, с 1951г. по 1959г. 75% построенных пассажирских вагонов оснащались дисковыми тормозами, а некоторые дороги полностью оборудовали ими свои пассажирские поезда. Немало этому способствовал значительный экономический эффект использования этих вагонов. Если обычная колесная пара вагона с двусторонним торможением обтачивается в США после пробега 80000 км, а стандартная тормозная колодка изнашивается через 7360 км, то колесная пара вагона с дисковым тормозом поступает в обточку после пробега 320000 км, а колодка изнашивается через 120000 ~ 144000 км пробега. Тележка пассажирского вагона с двусторонним торможе-
ниєм ремонтируется через 1-1,5 года, а тележка вагона с диско^ вым тормозом - через 3 года* Экономия средств достигает на вагон от одной до четырех тысяч долларов в год. Для повышения эффективности дискового тормоза в США широко применяют проти-воюэные устройства, автоматические песочницы (на автомотрисах). Для улучшения шунтирования рельсовых цепей и повышения коэффициента сцепления применяется сочетание дискового и колодочного тормозов. Б последние годы дисковый тормоз находит применение на поездах, рассчитанных на скорость 55-69 м/с (200-250 км/ч). Им оснащены, например, вагоны системы скоростного автоматического транспорта BART в Сан-Франциско
N
Успешно применяются дисковые тормоза в сочетании с электродинамическим и магнитно-рельсовым тормозом на скоростных железнодорожных магистралях Японии "Новая Токайдо" и "Новая Санье", где максимальная скорость движения достигает 72 м/с (260 км/ч)*
Сейчас железные дороги большинства развитых капиталистических стран эксплуатируют и приобретают подвижной состав, оборудованный дисковыми тормозами.
Строятся вагоны с дисковыми тормозами в ГДР и ЧССР*
Зарубежные публикации по дисковым тормозам железнодорожного подвижного состава носят в основном рекламный характер, а исследовательские работы почти не публикуются. Тем не менее анализ имеющихся материалов показал, что в своем развитии конструкции основных элементов фрикционной пары прошли на за-рубежном подвижном составе те же этапы, что и в СССР. На каждом из этих этапов, тан же как и в настоящее время, перед разработчиками тормозов за рубежом и в СССР стояли одинаковые задачи.
