close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000102392

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
БЕЛОГЛАЗОВА Наталья Анатольевна
П О В Ы Ш Е Н И Е ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛУБРИКАЦИИ ГРЕБНЯ
КОЛЕСА ЛОКОМОТИВА Т В Е Р Д О С М А З Ы В А Ю Щ И М Д И С К О М
Специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
ОМСК 2005
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении выс­
шего профессионального образования «Омский государственный университет
путей сообщения» ( О м Г У П С (ОмИИТ)).
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор,
заслуженный изобретатель Р Ф
БОРОДИН Анатолий Васильевич.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Х О М Е Н К О Андрей Павлович,
кандидат технических наук, доцент
Р А Ж К О В С К И Й Александр Алексеевич.
Ведущая организация:
Государственное образовательное учреждение высшего профессиональ­
ного образования «Дальневосточный государственный университет путей со­
общения» ( Д В Г У П С ) .
Защита диссертации состоится 23 декабря 2005 г. в 9_^ часов на заседа­
нии диссертационного совета Д 218.007.01 при Омском государственном уни­
верситете путей сообщения (ОмГУПСе) по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса,
35,ауд. 112.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГУПСа.
Автореферат разослан 21 ноября 2005 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печа­
тью учреждения, просим направлять . в адрес диссертационного совета
Д 218.007.01.
Тел./факс: (3812) 31-13-44; E-mail: nauka@omgups.ru
•Л
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук,
профессор
Г. п . Маслов
Омский гос. университет
путей сообщения, 2005
l^s£=S^ЪЪЧ-
limes
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. В последнее десятилетие на железных до­
рогах России обострилась проблема бокового износа гребней колес и рельсов.
Потери от износа пары колесо - рельс достигают значительных величин.
В структуре эксплуатационных отказов утрата работоспособности колес по
подрезу гребня является определяющей причиной. Так на Красноярской дороге
количество обточек в 1999 году по износу гребня составило - 78,1 % от общего
количества, а в 2002 - 92,6 %.
Частое восстановление профиля колес локомотивов обточкой приводят к
большим затратам денежных средств, сокращению срока службы бандажей.
Одним из способов снижения интенсивности изнашивания гребней колес явля­
ется лубрикация контактирующих поверхностей. Наибольшего эффекта при
этом можно достичь путем применения твердых смазочных материалов, в свя­
зи с этим задачи разработки технических средств для нанесения смазки и спо­
собов ее подвода в зону трения являются актуальными.
Тема диссертации входит в перечень актуальных проблем научнотехнического развития железнодорожного транспорта (Постановление колле­
гии МПС России № 16 от 16 августа 2000 г.).
Актуальность проблемы подтверждается Указанием МПС от 25.11.1994 г.
№ ]51у «О неотложных мерах по ликвидации интенсивного износа гребней ко­
лесных пар и бокового износа рельсов», а также тематикой и постановлением
научно-практической конференции «Современные проблемы взаимодействия
подвижного состава и пути "колесо - рельс 2003"», проведенной во ВНИИЖТе
г. Щербинка.
Цель и задачи работы. Снижение износа гребней колесной пары путем
лубрикации гребня колеса твердосмазывающим диском.
Для достижения цели необходимо решение следующих задач:
1. Провести анализ причин изнашивания гребней колес подвижного со­
става и применяемых способов повьш1ения долговечности элементов системы
«гребень колеса - головка рельса» в условиях их трибосопряжения.
2. Рассмотреть способы смазывания гребней колес и подачи смазочного
материала при движении подвижного состава и разработать новые эффектив­
ные метод и устройство для смазывания.
3. Сформировать математическую модель колебаний узлов ходовой части
локомотива при движении его по неровностям пути.
4. Разработать математическую модель смазывания с управлением пода­
чей смазочного материала в условиях динамического воздействия узлов локо­
мотива на смазочное устройство.
5. Обеспечить рациональный режим смазывания, учитывающий соотно­
шение конструктивных и технологических параметров смазочного устройства.
6. Провести экспериментальные исследования по нанесению твердой
смазки на гребень колеса. Проверить достоверность полученных результатов.
<»0С НАЦИОНАЛЬНАЯ)
БивлиотекА
I
.у^ата^!
7. Разработать новые технические устройства для нанесения смазочного
материала в зону трения твердосмазывающим диском.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на ме­
тодах математического анализа, динамики подвижного состава, трибологии. В
экспериментальных исследованиях использовались методы регрессионного
анализа некомпозиционных планов второго порядка и статических проверок
гипотез Обработка теоретических и экспериментальных результатов выполне­
на на Э В М с применением математических программ Mathcad, Excel. Экспери­
ментальные исследования проведены на специально разработанном оборудова­
нии в лабораториях ОмГУПСа.
Научную новизну диссертационной работы характеризуют следующие
результаты, выносимые на защиту:
1) Метод смазывания фебней колес подвижного состава твердосмазочным
диском, основанный на управлении подачей твердого смазочного материала в
зону трибосопряжения элементов системы «колесо - рельс».
2) Математическая модель взаимодействия смазочного устройства с греб­
нем колеса с учетом динамики узлов локомотива, позволяющая определить
конструктивные и технологические параметры устройства для обеспечения ра­
ционального режима нанесения смазочного материала.
3) Результаты экспериментальных исследований процесса смазывания
гребня колеса при различных условиях эксплуатации.
4) Новые устройства для лубрикации гребней колес.
Практическая ценность работы.
1. Ра,зработан метод смазывания гребня колеса локомотива твердосмазы­
вающим диском с управлением подачей смазочного материала.
2. Создано эффективное устройство для смазки гребня, основой которого
послужила разработанная математическая модель.
3. Разработанные метод и устройство смазывания гребня колесной пары
позволяют обеспечить снижение эксплуатационных расходов на тягу поездов и
повысить долговечность бандажей колесной п ^ ы локомотива (кроме того, это
также обеспечит снижение интенсивности бокового износа рельсов).
Реализация результатов.
1. Результаты исследований послужили основой отчетов по научноисследовательским и поисковым работам кафедры (тема 19.10.00 «Повышение
несущей способности и ресурса механических устройств железнодорожного
транспорта» № гос. per. 01.9.50 000 749), выполненных по программе О м Г У П С .
2. Устройство прошло опьггную проверку в локомотивном депо Абакан; в
локомотивном депо Тайга проведены макетные испытания и рассматривается
вопрос об изготовлении опытной партии устройств и проведении испытаний на
одном электровозе В Л 10. Внедрение подтверждается соответствующими акта­
ми использования результатов работы.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и об­
суждались на: научно-технической конференции «Повышение эффек? ивности
работы железнодорожного транспорта Сибири» (Иркутск, 2000 г.); юбилейной
Всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов,
Н И И , инженерных работников и представителей академической науки, посвя­
щенной 100-летию завершения строительства Транссибирской магистрали и
150-летию открытия движения по магистрали Санкт-Петербург-Москва,
18-21 октября 2001 (Хабаровск - Владивосток, 2001 г.); межвузовской научнотехнической конференции с международным участием «Исследования и разра­
ботки ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте»
(СамИИТ, Самара, 2002 г.); межрегиональной научно-практической конферен­
ции «Молодежь Сибири - науке России» (Красноярск, 2003 г.); международном
конгрессе «Механика и трибология транспортных систем - 2003» (Ростов-наДону, 2003 г.); научно-техническом семинаре ОмГУПСа (Омск, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 9 печатных работ, в
том числе два свидетельства на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе­
ния, 5 глав, выводов, списка использованных источников, содержащего 146 на­
именований, приложение, содержит 176 страниц, 46 рисунков, 15 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ
РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности темы.
Первая глава посвящена анализу состояния исследований по решению
проблемы снижения износа фебней колес локомотивов.
Исследованиями взаимодействия колеса и рельса в разное время занима­
лись и занимаются такие видные отечественные и зарубежные ученые как:
А.И. Беляев, И.В. Бирюков, Е.П. Блохин, В . М . Богданов, М.Ф. Вериго, И.И. Галиев, А.Л. Голубенко, П.Т Гребенюк, В.Г. Григоренко, В.И. Доронин, И.А. Ж а ­
ров, Н.Е. Жуковский, С М . Захаров, Д. Калкер, А.Я. Коган, В.И. Киселев, B.C.
Коссов, В.Г. Козубенко, В.А. Лазарян, М.А. Левинзон, А . Л . Лисицын, В.И. Лисунов, Г. Марье, В.Б. Медель, , В.А Нехаев, Б.Д. Никифоров, М.П. Пахомов,
В.О. Певзнер, Ю.С. Ромен, В.Ф. Ушкалов, У. Харрис, А.П, Хоменко и др.
Одной из главных причин износа гребней колес и боковых поверхностей
рельсов является высокая мощность трения в зоне контакта, определяемая дав­
лением в зоне контакта, длиной пути скольжения, коэффициентом трения и со­
стоянием поверхностей (их чистота обработки, твердость поверхностей сопря­
жения и условия смазывания).
Решению проблемы снижения износа гребней колес посвящены труды
С М . Андриевского, М.Х. Ахметзянова, А.В. Бородина, А . Ю , Балакина, А . П .
Буйносова, Д.Н. Гаркунова, И.Г. Горячевой, В.Г. Григоренко, К.И. Домбровского, Ю А Евдокимова, В.П. ЕсауловаА.И. Кораблева, В И. Колесникова, В.А.
Кислика, Т В. Ларина, И.В. Крагельского, Ю.М. Лужнова, B.C. Лысюка, И.А.
Майба, Д.П. Маркова, P.M. Матвеевского, В.Г. Мирошниченко, В.А. Могилевского, И.С. Цихалевского, А . В . Чичинадзе, В.В. Шаповалова, Г.М. Шахунянца,
В.Н. Щербака и др.
Установлено, что из всего комплекса мер, кроме применения колесных
пар дифференциального вращения, наиболее эффективными путями сокраще­
ния интенсивности износа элементов системы «колесо — рельс» в настоящее
время является радиальная установка колесных пар (РУКП) локомотива в кри­
вых и лубрикация контактируемых поверхностей колеса и рельса.
Вторая глава посвящена моделированию метода смазывания гребней ко­
лес локомотива, составлению математической модели контактирования смазы­
вающего диска с гребнем колеса в условиях динамического поведения как сма­
зывающего устройства, так и узлов локомотива.
Основой для разработки метода послужил способ Д.Н. Гаркунова и В.Н.
Лозовского по приданию поверхности металлов трущихся пар противозадирных свойств, сущностью которого является покрытие стальных поверхностей
тонким слоем мягкого материала для придания поверхности высоких анти­
фрикционных свойств. Положительные результаты фрикционного латунирова­
ния доказаны и подтверждены известными специалистами в области триботех­
ники - проф. Г. Польцером, И. Ланге, В.И. Балабановым и др. учены.ми.
Для реализации этого способа разработана принципиальная схема смазы­
вания гребней колес подвижного состава (рис. 1), где 1 - гребень колеса; 2 —
диск; 3 - обод диска из твердосмазочного материала; 4 - ось; 5 - упругая связь;
6 - корпусная деталь подвижного состава; 7 - груз. Это техническое решение
основано на прижатии обода 3 к рабочей поверхности гребня.
Подведение смазочного материала к поверхности гребня может осущест­
вляться двумя способами: прижатием диска с силой, обеспечивающей непре­
рывное вращение диска при качении колесной пары, а также путем возможно­
сти придания диску угловых колеба­
ний и обеспечения, в результате,
встречного движения линейных ско­
ростей контактируемьгх точек, при­
надлежащих диску и гребню колеса.
Для первого из этих способов интен­
сивность подведения твердосмазочно­
го материала на рабочую поверхность
гребня регулируют дополнительными
грузами, размещенными на торцовой
Рис.1. Принципиальная схема
поверхности тела вращения.
смазывания гребней колес
При формировании сил трения
подвижного состава
существенным фактором является
шероховатость поверхностей гел в области контакта. При решении проблемы
износа позитивную роль играет присутствие «третьего» тела с более мягкой
структурой, которое, заполнив неров1юсти, уменьшает глубину их взаимного
проникновения.
В этой ситуации «третье» тело играет роль смазки. Количество смазы­
вающего материала, необходимое для обеспечения минимального износа, зави­
сит от величины и распределения сил в области контакта смазывающего диска
с гребнем колеса колесной пары. Если силу трения F^ представить функцией
давления Р и коэффициента сцепления у/ {Рф == F (F, у/)), то можно провести
анализ процесса в области контакта и, следовательно, определить конструктив-
ные параметры смазывающего устройства для обеспечения надлежащего уров­
ня смазки.
Зависимость Рф представлена в следующем виде:
^Ф "
гЛ^
\—¥{e:)ds.
(1)
где N - нормальная составляющая сжимающих сил, действующих на поверхно­
сти контакта S ; ^/{е) - коэффициент сцепления, который зависит от скорости
вращения колесной пары и от механических характеристик контактирующих
тел; Е- скорость относительной деформации материала.
Из физической сути процесса относительного перемещения двух тел сле­
дует, что график функции у/{Е) может иметь вид, представленный на рис. 2.
щ ,
fnp
Р
7(^
JKOH
о
/ 1
£*
1г
в
1
1
1
^
ow
N.
^
1
1
1
ео
<1>1^
Рис. 2. Зависимость коэффициента
сцепления от скорости относительной
деформации
Рис. 3. Взаимодействие гребня колеса
и смазывающего диска
Наибольшее сцепление и, следовательно, и1ггенсивное нанесение смазки
имеет место при f =^ £» ± 5, где S зависит от механических параметров смазы­
вающего материала (д<15%£о).
Кривая, представленная на рис. 2, аппроксимируется зависимостью:
ИЮ=/„+(«^-/с,К*^
Коэффициенты акЬ
(2)
получены из условий:
И£о)=/-.я;
vr'{eo)=0.
beo-l
(3)
Л.
J faf
J ch
Расход материала, наносимого на гребень колеса при различных режимах
работы, оценен через работу, производимую фрикционными силами за один
оборот колесной пары. Работу определили в зависимости от величины сжи­
мающей силы Р и геометрических параметров диска смазьтающего устройства.
Если считать, что сила Р равномерно распределяется по линии контакта CD
(рис. 3), то для произвольной точки К этой линии:
dA =
2nzPcosa
{f/{e)dz .
(4)
Гс-Го
Полная работа фрикционных сил на одном обороте колесной пары полу­
чена интегрированием выражения (4) по линии C D (рис. 3):
А = ^ ; ^ ' " ' f j { z A , + \_ak,z^ -iak, -f ЛЛ^]e"^^-^-> }dz.
(5)
('c-'-o) 4
После преобразований получено:
iTTcosa
A = P^^^^^l^ilAf^^
[B„Ce-**'""
Ce-'''"'
- - e-""'^'- > S, О^,^-**'^" - z,.e-""'' >
\^^A.^e''' + e"^[Bo
Гр-Гс
+ B^{zl e-***''o _ 2^ e"**''^ Л К
(6)
где
fe -1.
+ tk^
*i
p_^
Го^
1
«^i ('■« + ^ )
где f - скорость относительной деформации материала в произвольной точке К,
^ _а>Лгк+Ю
^
щШ~roXff
+ fjc)
^g^
'
'b
' ^
''о
Как видно из (5) - (8), на величину работы сил трения влияют физикомеханические параметры контактирующих тел, геометрические параметры сма­
зывающего устройства, давление в контакте и угловая скорость колесной пары
Следовательно, эта формула может служить основой для оценки работы фрик­
ционных сил, необходимой для нанесения слоя смазочного материала требуе­
мой толщины.
В реальных условиях эксплуатации в зоне контакта гребня колеса и роли­
ка действуют силы, величина которых определяется показателями динамиче­
ских качеств механической колебательной системы «локомотив - путь», а так­
же 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 уст­
ройства с гребнем колеса сформирована математическая модель колебаний под­
рессоренных и неподрессоренных частей локомотива.
Локомотив представлен в виде системы семи твердых тел. Для вывода
уравнений выбираем семь абсолютных и семь подвижных систем, координат
8
Начала координат абсолютных систем помещаем в точки пространства, совпа­
дающие с центрами масс кузова, тележек и колесных пар, находящихся в поло­
жении равновесия. Оси координат направляем параллельно осям симметрии
соответствующих твердых тел. Считаем, что абсолютные системы отсчета дви­
жутся вдоль рельсового пути со скоростью локомотива. Подвижные системы
координат жестко связываем с кузовом, тележками и колесными парами. В по­
ложении покоя механической системы обе системы совпадают.
Основой формирования математической модели динамического поведе­
ния локомотива является энергетический метод
d_
dt
уравнение Лагранжа П рода:
f-f^r^f^S"
<
"
dq, dq, энергии
dq,
где Т,П,Ф - кинетическая3qJ
и потенциальная
и диссипативная функция;
2 , - обобщенная сила, соответствующая обобщенной координате q,.
За обобщенные координаты в уравнениях Лафанжа в работе приняты
смещения центров тяжести кузова, тележек и колесных пар относительно соот­
ветствующих абсолютных систем координат (д^^у^г^; Xj-y-j-Zi^; х у z,j) и угло­
вые перемещения твердых тел вокруг координатных осей абсолютной системы:
VkVijVj, -вокруг осей О Х ; WkW-i,V„ -вокруг осей O Y ; O^dj в^^ -вокруг осей OZ.
После расчета соответствующих производных от выражений кинетической
энергии кузова, тележек и колесных пар, потенциальной энергии упругих эле­
ментов в подвешивании локомотива и потенциальной энергии в системе «локо­
мотив - путь», а также диссипативной функции, получены следующие уравне­
ния движения тележек и колесных пар (полная динамическая модель экипажа
приведена в работе):
»^'^H = Ъ T - T ^ " ^ ' U * + L
^
Рпр^Крпп)
Л^и
А
т=\
J
'^npjm + "и/>
к=\
Т
'^tipXjnt
"H^J"'
1^л)к + « л
п^\
ТТ""-'^" + ^
л
^ л "^'/^ + ^ « ( А щ , ) "
Ь V ^"(Дбу")
Sf •* ^
S^ Т
-fт-'*б^J,s+Q^rJ■,
А
J
1=\ s=\ '^б/и + "б
^Mjn + "ог
zljr
г^\ '^гу + " г
■^ Т^"-^--^ ^ т~J-"'^^■^'-^yr/'
T^Tj
V
Z J
k-l
^-(У>
л
. J
^j,jk+"j,
4-V
_ V ^o^^o^J"^ _ V ^^(^^/->
Z J
.
,
n=l ^ о г / п + " о /
^"P^^'W"'^ „
-^ "л
/n=l
"лЗу*
4.V
V
"ozijn
'-I
^-l
'4;/j''""«
.
j ^ , "гЗул
r=l ^^г1Г+"^
^g('^'?/"\,
T7~ "РУ" ^ Z J A j . ^
'^npjm'''"np
Z J
_г)
"вЗ;к-Иг7у>
.
(10)
E
Z
M=2/
^npi^npipl)
Л
''Hpy^mllKi)
Л
4. V
"VU«''*'ZJ
1 " „ p y m + "np
Г^
m=2i-{ '^npijm + "/»>
w.^; - J
J.W
v<
"ЧР^У ~ ^
J=t
V
f^
2-1 Л
'=1 i-l
^6;M
_
'^6/»+"e
•''«("«;«)
7
1/'^'
^ W '^6lj,s
. П / Л
^
-yx,J'
ч . г ' / *
\
^
i:r"«2^" "^ •'^«ДД«,у) + -fLCA/,.,/) = 6w .
+ "в
IF.,(A,,,^J + /?^,(A,„,J]+X F,.(A„„J + /?„(A„.,^J]=a,
(i=l,2;y=l,2).
Обобщенные силы, соответствующие выбранным координатам кузова и
тележек:
с
а* =е.* =fiU =6U =6U =0; Qyk-m,
K.
QxTj ~ Qzij - Q<pTj ~ Qvo ~ QoTj - " • Qyij
где К =
I ^
2Sp)
(П)
(KV^^^
25„
кривизна кривой; h - возвышение наружного рельса; 25^, - ширина
Р
колеи.
При движении локомотива колесные пары находятся под воздействием
сил контактного взгшмодействия с рельсами (F,^,), обусловленных относитель­
ным проскальзыванием по кругу катания, - сил крипа и сил трения гребня ко­
леса о головку рельса (F^).
Фрикционные силы принимают наибольшие значения при движении ло­
комотива в кривых. Горизонтальная сила, действующая на путь со стороны ко­
лесной пары в поперечном направлении:
F,у = F„^
+ F^+R^,
ЦК
т
т
(12)
где /^, = m^,(^^Vo - -^—); Р„г и /?,„ - упругие и диссипативные силы пути в го25^,
ризонтальной плоскости.
Сила крипа определяется выражением:
где а, Ь, с - коэффициенты регрессионного уравнения, зависящие от условий
фрикционного состояния контакта между колесом и рельсом;^ - коэффициент
трения скольжения стали по стали; Vo - скорость движения поезда;
е- скорость проскальзывания колеса по рельсу; Р - давление от колесной пары
на рельсы (причем в данном случае будем полагать его равным статическому
10
давлению); е^, - относительное критическое проскальзывание колеса по рельсу,
зависящие от условий фрикционного взаимодействия контактируемых тел.
F^=\-^^ris)dz=
"
\ ее-''ds
F ^-Zihdlll.
*
(14)
(15)
(А-ЛоЖо
При движении в кривых колесная пара совершает поворот на угол % от­
носительно абсолютной системы отсчета. Поэтому линия контакта гребня коле­
са с головкой рельса располагается под углом Y,J К оси х:
г,--^-^-^-
(16)
Сила трения имеет следующие проекции на оси координат:
Р'фг = f% со&г,у, Рф^ = Рф s.my,j.
(17)
Выражения обобщенных сил для обобщенных координат колесных пар
имеют вид:
- К
Qx.j = -f.+^фх =-FKP~+рф
о
^ytj
=-F +F =-f
' у
' ЦК
^ кр
ску
<^ги;
+ mjKV:-
gh
(18)
Qz,, ^-Рф sin Yij; Овц=Рф COS YyS^; Q^j = Рф sin y^S^; Q^j = -F^r,
Полученная математическая модель позволяет рассчитать внешние п^аметры - продольные, поперечные и вертикальные перемещения и ускорения
Хд,ув,гд, "я'^4> т.е., возмущения на входе в систему «смазочное устройствогребень колеса», и определить количество смазки, наносимой на фебень колес­
ной пары локомотива при его движении по реальному профилю пути.
Для формирования математической модели динамического поведения
смазывающего устройства, установленного на тележке локомотива составлена
кинематическая схема, представленная на рис. 4.
Здесь обозначено: т - масса груза в точке А; М^ - масса диска; Jg - мо­
мент инерции диска; / - расстояние ВА; г<, - радиус диска; /^ - длина
стержня BE.
За обобщенные координаты приняты отклонения хв, ув, ^в точки В вдоль
осей выбранной системы отсчета (рис. 4) и угол q) поворота диска вокруг
OCHOY.
Математическая модель имеет вид:
II
( М „ + myiCg - /и/ • (^ sin ^ + <з' cos ^ ) = F ;
Ш,+т}у„=Р^;
(19)
{М^ + mjz^ - ml (ф cosд)-ф^ sin ?>)+ лг„^ • (г^ - z^ ) = /?^;
(7g + тГ')ф - ml ■ (Zg cos(^ + х„ sin9?)+ /wg/cos^ = F^r^ + W , .
Сформированная математическая мо­
дель отражает инерционные взаимосвязи
между обобщенными координатами данного
устройства: на угловые колебания диска
влияют его подпрыгивание и подергивание,
которые зависят, в свою очередь, от динами­
ческого поведения узлов экипажа, описывае­
мых формулами (10) и ( И ) . Полученные
уравнения содержат параметрические сла­
гаемые, поэтому, при некотором сочетании
значений конструктивных параметров здесь
Рис. 4 Схема взаимодействия
возможно наличие явления неустойчивости,
смазывающего устройства
~ неограниченный рост угловых колебаний
с колесом локомотива
диска, что наглядно иллюстрирует рис. 5, а.
Поэтому инерционные и упругие параметры
смазочного устройства выбраны с учетом предотвращения неустойчивых ре­
жимов движения. График угловых колебаний смазывающего устройства приве­
ден на рис. 5, б. Такой характер движения, когда на одном полупериоде колеба­
ний линейные скорости соприкасающихся точек диска и гребня направлены на­
встречу друг другу, повышает эффективность процесса смазывания гребня.
1
I "
\
/
j /
I ^ 7/ "'
1
.t=-:r^_l
t
t
а
б
Рис.5 Неустойчивые {а) и устойчивые (б) угловые колебания
смазывающего диска
Эффективность смазывающего устройства оценивается прежде всего по
величине работы фрикционных сил в зоне контакта колеса и рельса за один
12
Эффективность смазывающего устройства оценивается прежде всего по
величине работы фрикционных сил в зоне контакта колеса и рельса за один
оборот колесной пары. Если считать, что сила трения приложена в середине
линии контакта, то работа этих сил представится выражением:
h + hr,
А = 2я(г^ + ■
(20)
'Ж.,,
где Рф^ ~ определяется формулой (17).
В третьей главе проведены экспериментальные исследования процесса
лубрикации гребня колеса и выполнена математическая обработка эксперимен­
тальных данных с применением методов планирования эксперимента.
Лубрикацию гребня колеса локомотива выполняем натиранием твердосмазочным диском. Материал диска должен обладать достаточной прочностью,
чтобы при трении разрушать окисные пленки, но значительно уступать прочно­
сти обрабатываемой поверхности. Он также должен бьпъ пластичным, чтобы
обеспечивать контакт с обрабатываемой поверхностью во многих точках. Этим
требованиям в наибольшей степени отвечает латунь.
На рис.6 представлена схема фрикционного латунирования гребня желез­
нодорожного колеса. Преимуществом этой схемы, по сравнению с предыдущи­
ми, является то, что нанесение смазки не требует подвода энергии.
Рис. 6. Схема фрикционного
латунирования гребня
железнодорожного колеса:
1 - поверхность намазывания;
2 - ось; 3 - упругий элемент;
4 — тело вращения
Рис. 7. Конструкция устройства для
лубрикации гребня колеса
Для нанесения слоя латуни на гребень колеса колесной пары использова­
но тело вращения 4, установленное на оси 2. Упругий элемент 3 обеспечивает
поджатие тела вращения к смазываемой поверхности 1. Натирание осуществля­
ется в месте контакта детали и тела вращения: из-за различных линейных ско­
ростей гребня и ролика имеет место проскальзывание, как следствие этого возникновение трения.
Разработано специальное оборудование: имитатор колеса и устройство
для нанесения смазки (рис. 7). Рабочая поверхность гребня на имитаторе вы­
полнена в масштабе 1:8 по отношению к тепловозному колесу колесной пары.
13
Для проведения эксперимента создали условия, близкие к реальным и ос­
нованные на использовании п- теоремы. Критерии подобия, используемые для
моделирования трения и износа, приведены в табл.1.
Таблица 1 - Критерии подобия, используемые для моделирования трения
и износа (знакопеременного скольжения при нестационарном нагружении)
Параметры
1. Нагрузка
2. Скорость скольжения
3. Комплекс геометрических
размеров
4. Скорость нарастания нагруз­
ки
5. Температура на поверхности
контакта Si_2
Размерность
MLT'
LT'
L
6. Высота шероховатости R^i 2
L
Критерии
Базисный параметр
МЫ'
^р/1
9
Q
^2П
■^1,2^.^,2
2 2
^^9=
^Kl
7. Масса контактирующих по­
верхностей mi_2
М
^1"
1
Р -V
_ К\,2
тгМб
'^г1,2
m^У
02^-1/3
^ *г),2
Доминирующими критериями при проведении эксперимента являются
нагрузка, линейная скорость, имитирующая скорость точки гребня колеса в ра­
бочих режимах локомотива, и шероховатость. В связи с оценкой шероховато­
сти поверхности в эксплуатации, при проведении эксперимента принята шеро­
ховатость, соответствующая стадии приработки гребня колеса и рельса Ra »
1,25 мкм.
При испытаниях частота вращения имитатора, имитирующая скорость
движения колеса локомотива, а также усилие прижатия смазывающего диска к
гребню меняли дискретно.
Появление пленки зафиксировано через 10 сек. работы устройства; заме­
ренная через 10 мин ширина слоя составила 7,8 мм. Толщина натираемого слоя
латуни в течение 10 минут не превышала 5 мкм. При дальнейшем натирании
слой увеличивается до 10-15 мкм, но это нежелательный прирост, так как идет
намазывание уже не по стали, а по ранее нанесенному слою латуни. Кроме то­
го, наблюдался перерасход материала ролика, так как латз'пь в виде чешуек от­
слаивалась от намазанной пленки.
При увеличении прижатия диска к колесу растет площадь контакта, при
этом удельная нагрузка не возрастает - остается приблизительно постоянной.
Увеличение нагрузки способствует более интенсивному изнашиванию мате­
риала ролика.
14
Для оценки влияния технологической жидкости на появление пленки бы­
ли проведены испытания с глицерином при и = 1000 об/мин, что соответствует
F= 30 км/ч.
При введении в зону натирания глицерина на стальную поверхность в
первый период работы происходит частичное растворение поверхности трения
латуни. Глицерин действует как слабая кислота. Атомы легирующих элементов
латуни уносятся смазочным материалом; в результате поверхность ролика обо­
гащается атомами меди. Глицерин является восстановителем окиси и закиси
меди, поэтому поверхность трения медной пленки свободна от окисных пленок,
она активна и способна к схватыванию со стальной поверхностью. В результате
стальная поверхность покрывается тонким слоем меди. Поскольку слой меди,
образующийся на латунной поверхности, становится тоньше вследствие его пе­
реноса на стальную поверхность, происходит дальнейшее растворение латун­
ной поверхности. Этот процесс продолжается до тех пор, пока на обеих по*'
верхностях не образуется слой меди.
/Т'
j—r
1Л
V»
-к
V
\ct~
^
/'
■
не превышающий 2 мкм. Процесс,
происходящий в зоне трения, близок
по эффекту к режиму избирательного
переноса.
Выполнена математическая об­
работка результатов эксперимента, по­
зволяющая определить толщину нане­
сенного слоя в зависимости от скоро­
сти колеса и усилия нажатия смазы­
вающего элемента.
:.-—fX
-4^
~-у
'-г/
Рис. 8. Контурные кривые поверхности
равного отклика
Для получения уравнения использовали некомпозиционный план второго
порядка. Составлена матрица планирования, определены уровни и интервалы
варьирования факторов и получено уравнение регрессии в кодовых значениях
варьируемых параметров:
у = 4,75 + 0,5333л:, + 1,0969x2 - ОЛ 154x, ■ Xj - 0,3д:,^ -1,2334^2 . (21)
Статическая значимость коэффициентов регрессии определена по крите­
рию Стьюдента.
С помощью уравнения построены линии равного отклика (рис. 8).
Для перехода из кодированных значений в натуральные F и К используются
вьфажения:
F = 85 + 15 X, ;
(22)
F= 48+ 26X2.
(23)
Используя зависимости (22) и (23), можно определить режимы в любой
области эксперимента.
15
с точки чретшя времени появления пленки, точка 1 предпочтительнее
точки 2, так как V = 55,02 км/ч и F = 75,4 Н. Чем больше скорость, тем меньше
времени будет затрачиваться на появление пленки требуемой толщины.
В четвертой главе представлены новые устройства, позволяющие уве­
личить ресурс гребней колес, а также сократить расходы смазочного материала.
По результатам теоретических и экспериментальных данных разработаны кон­
структивная схема устройства и конструкция ролика (рис.9).
Рис. 9. Схема устройства для смазки гребня колеса и конструкция ролика
Взаимодействие пружин с роликом и гибкие элементы штанги обеспечи­
вают постоянное контактирование смазочного ролика с рабочей поверхностью
гребня колеса при жестком закреплении основания штанги к ее держатепю и
раме тележки.
Жесткое закрепление штанги к держателю и раме тележки предотвращает
смещение устройства относительно рамы тележки, а также от смазочного воз­
действия обода ролика на поверхность катания колеса, не допуская ухудшения
сцепных свойств колеса с рельсом. Новая конструкция ролика обеспечивает по­
вышение эффективности натирающего действия твердосмазочного элемента,
увеличение срока действия пленок, нанесенных на рабочую поверхность
гребня.
В пятой главе проведена оценка экономической эффективности нового
метода смазывания Ожидаемый экономический эффект метода смазывания со­
ставит 15 тью. р. на один локомотив при уменьшении количества обточек и за­
мены колесных пар по износу гребней при снижении износа на 10 % .
Основные результаты и выводы
1. Разработаны метод смазывания гребней колес твердосмазочным дис­
ком без гюдвода энергии, основанный на управлении подачей твердого смазоч­
ного материала, и новые технические решения его реализации.
16
2 Установлен критерий эффективности процесса лубрикации, выявлены
доминирующие параметры, в наибольшей мере влияющие на этот процесс, и
сформирована математическая модель системы «локомотив - путь», позво­
ляющая рассчитать внешние параметры для сил контактного взаимодействия
смазывающего диска с гребнем колеса.
3 Разработана математическая модель механической колебательной сис­
темы «смазывающее устройство - фебень колеса» и исследованы особенности
ее динамического поведения. Установлены параметры, обеспечивающие устой­
чивость процесса смазывания.
4. На основании построенных некомпозиционных планов второго порядка
получено регрессионное уравнение, отражающее влияние факторов на процесс
нанесения смазки на гребень колеса. Построены контурные кривые поверхно­
сти равного отклика, по которым можно рассчитать необходимые режимы на­
несения смазки.
5. Проведенные экспериментальные исследования по лубрикации гребня
колеса локомотива методом фрикционного латунирования показали положи­
тельные результаты: низкий расход материала по сравнению с известными ме­
тодами, малое время нанесения покрытия, снижение коэффициента трения,
экологическая чистота.
6 Ожидаемый экономический эффект от нового метода смазывания со­
ставит 15 тыс.р. на один локомотив при уменьшении количества обточек и за­
мены колесных пар по износу гребней (за счет снижения износа не менее чем
на 10 % ) .
Основные положения диссертации опубликованы в работах:
1 . Б е л о г л а з о в а Н. А. Лубрикация гребней колес рельсовых транс­
портных средств / Н . А . Б е л о г л а з о в а / / «Молодежь Сибири - науке Рос­
сии»: Материалы межрегион, науч.-практ. конф. / Сибирский ин-т бизнеса,
управления и психологии. Красноярск, 2003. Ч . 1. С. 54, 55.
2. Б е л о г л а з о в а Н. А. О целесообразности введения твердых смазоч­
ных материалов в зону трения гребень колеса - головка рельса / Н. А. Б е л о г л а з о в а / / Совершенствование устройств подвижного состава, теплоэнерге­
тики, автоматики и связи железнодорожного транспорта: Сб. науч. статей аспи­
рантов и студентов /Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2004. В ы п . 4.
С. 146-148.
3 Б о р о д и н А. В. Оборудование для испытаний пары трения «гребень
колеса - головка рельса / А. В. Б о р о д и н , В М. В о л к о в , Н. А. Б е л о ­
г л а з о в а // Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2004. - 18 с Деп. в
В Н И И А С М П С Р Ф . № 2, С. 47.
4 Б о р о д и н А . В . Смазывание гребней колес подвижного состава /
А. В. Б о р о д и н , Н. А. Б е л о г л а з о в а / / Сб. докл науч.-практ. конф.
« К О Л Е С О - Р Е Л Ь С 2003» / В Н И И Ж Т . М., 2003. С. 161,162.
17
З . Б о р о д и н А. В. Многофакторная оценка износостойкоста гребней
колес подвижного состава / А . В. Б о р о д и н , Н. А. Б е л о г л а з о в а ,
B. М. В о л к о в // Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2003. - 26 с. Деп.
в В Н И И А С М П С Р Ф . № 7, С. 38.
6 . Б о р о д и н А. В. Новые возможности твердосмазывания трибосопряжения «гребень колеса - головка рельса»./ А. В. Б о р о д и н , Н. А. Б е л о г л а ­
з о в а // Сборник докладов международного конгресса «Механика и трибология
транспортных систем - 2003» 1 0 - 1 3 сентября. Ростов-на-Дону, 2003. Т . 1 .
C. 136-138.
7. Б о р о д и н А. В. Эффективные приемы повышения износостойкости
гребней колес подвижного состава /А. В . Б о р о д и н , Н А. Б е л о г л а з о в а / /
Исследования и разработки ресурсосберегающих технологий на железнодо­
рожном транспорте: Межвуз. темат. сб. науч. тр.-с меящунар. участием / Самар­
ский гос. ин-т. путей сообщения. Самара, 2002. В ы п . 23. С. 199 - 201.
8. Свидетельство на полезную модель № 15704, М К И 7В61КЗ/02. Уст­
ройство для смазки гребня колеса железнодорожного транспорта / А. В. Боро­
дин,В. М. Волков, Н. А. Белоглазова. Заявлено 15.05.00; Опубл. 10.11.00. Бюл.
№31.
9. Свидетельство на полезную модель Хе 21569, М К И 7В61КЗ/02. Уст­
ройство для смазки гребня колеса подвижного состава / А. В. Бородин,
Н. А. Белоглазова. Заявлено 04.07.01; Опубл. 27.01.02. Бюл. № 3.
Автор
выражает
искреннюю
благодарность
д.т.н.,
профессору
В. А. Николаеву за консультации и помощь в выполнении диссертации.
Типофафия Ом1УПСа, 2005 г
644046, г Омск, пр. Маркса, 35.
Тираж 100 экз Заказ 852.
Р23305
РНБ Русский фонд
2006-4
22337
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
829 Кб
Теги
bd000102392
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа