східноукраїнський національний університет

імені ВОЛОДИМИРА даля

ГУБАЧЕВА ЛАРИСА ОЛЕКСАНДРІВНА

УДК629.4: 629.192

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ СИНТЕЗУ ФРИКЦІЙНИХ ЗВ'ЯЗКІВ І УДОСКОНАЛЕННЯ ДЕМПФЕРІВ ЕКІПАЖУ ШВИДКІСНОГО ПОЇЗДА

Спеціальність 05.22.07 – Рухомий склад залізниць і тяга поїздів

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

доктора технічних наук

Луганськ, 2006

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті

ім. В. Даля, Міністерства науки і освіти України

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України ГОЛУБЕНКО Олександр Леонідович, СНУ ім. В. Даля, м. Луганськ, ректор, завідувач кафедри залізничного транспорту

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор ТАРТАКОВСЬКІЙ Едуард Давидович, Українська державна академія залізничного транспорту, завідувач кафедри “Експлуатація і ремонт рухомого складу”

доктор технічних наук, професор МЯМЛІН Сергій Віталійович

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. акад. В. Лазаряна, проректор.

доктор технічних наук, професор ВОЙНОВ Кирило Миколайович, Петербурзький університет шляхів сполучень (ПУШС), завідувач кафедри “Теорія механізмів і робототехнічні системи”

Провідна установа:

Національний технічний університет, “ХПІ”, кафедра “Електричний транспорт і тепловозобудування”, м. Харків

Захист відбудеться “27” грудня 2006р. о “10” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д29.051.03, при Східноукраїнському національному університеті ім. В. Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, перший навчальний корпус, зал засідань

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

Автореферат розісланий “25” листопада 2006р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради Осенін Ю.І.

Вступ. Неухильною тенденцією розвитку залізничного транспорту є підвищення швидкостей руху вантажних і пасажирських поїздів. Швидкість руху поїздів на залізницях провідних європейських країн і Японії вже досягає 250.350 км/г, але і цей рівень не є граничним, оскільки рекорд руху 515,3 км/г показує наявність значного резерву подальшого підвищення швидкості руху залізничних поїздів.

Організація високошвидкісного руху поїздів на Україні є необхідною умовою інтеграції залізничного транспорту країни в загальноєвропейську систему, чинником підвищення привабливості України як держави, здатної забезпечити за допомогою транзитних транспортних коридорів ефективне залізничне сполучення між Європейським Союзом і країнами Азії, що бурхливо розвиваються, Закавказзя і Далекого Сходу.

В умовах конкуренції, що посилюється, на ринку транспортних послуг особливе значення має підвищення швидкості руху пасажирських поїздів. Скорочення тривалості поїздки не тільки сприяє відчуттю психологічного комфорту, але і знижує її собівартість для пасажирів з урахуванням економії часу в дорозі.

Разом з тим, підвищення швидкості руху зумовлює необхідність істотної модернізації рухомого складу, перш за все спрямованої на забезпечення плавності ходу, зниження рівня шуму і різних видів вібрацій, безпеки експлуатації і надійності ходової частини вагонів. Реалізація цих вимог значною мірою пов'язана з удосконаленням характеристик ресорного підвішування екіпажної частини вагонів, підвищенням стабільності і надійності його роботи з урахуванням зростаючих динамічних навантажень в умовах швидкісного руху поїзда.

Актуальність теми. Рух залізничного рухомого складу в рейковій колії супроводжується силовими діями збурення, обумовленими профільною і плановою нерівністю рейкового шляху, наявністю стиків полотна, дефектів колісних пар, нерівномірністю тягового зусилля і знакозмінністю прискорення руху. У результаті цього спостерігається розвиток процесу коливання, що призводить до непродуктивної витрати енергії, зношування горизонту шляху, втрати працездатності ресорного підвішування. Унаслідок цього погіршуються показники комфорту, знижується надійність і підвищується аварійність рухомого складу. Із зростанням швидкості руху негативні наслідки функціональної недосконалості елементів підвішування і, перш за все, демпфуючих пристроїв, багато разів посилюються, що значною мірою обмежує можливість експлуатації поїздів в умовах швидкісного руху.

Досвід експлуатації залізничного транспорту показав, що існуючу проблему створення раціональних конструкцій, технічних засобів для забезпечення необхідних динамічних характеристик не можна вважати цілком вирішеною.

Відповідальною і, через важкодоступність розміщення, уразливою ланкою двоступеневого ресорного підвішування є фрикційний демпфер. Важкі умови роботи гасника коливань надбуксового ступеня підвішування, а також складність його діагностики і демонтажу обумовлює актуальність пошуку шляхів збільшення ресурсу його роботи, підвищення зносостійкості робочих поверхонь і стабілізації характеристик тертя.

Аналіз механізму зношування поверхонь, що труться, показує, що основна причина інтенсивного зносу і порушення стабільності характеристик демпфера полягає в локальному перегріванні окремих ділянок поверхні середньої ланки (втулки шпинтона), що викликає схоплювання і вириви металу. Тому необхідний поглиблений розрахунок потоків дисипативної енергії з метою забезпечення шляхів її відведення і теплообміну з навколишнім середовищем. Разом з конструкторськими рішеннями необхідна також технологічна розробка способів підвищення термічної стійкості робочих поверхонь демпферів.

Серйозною перешкодою створення високоефективного ресорного підвішування екіпажа вагону є відсутність цілісного підходу в проектуванні, виготовленні і випробуванні фрикційних демпферів з прогнозованими властивостями.

Найважливіша складова такого підходу – синтез фрикційних зв'язків ресорного підвішування – повинна базуватися на моделюванні просторової картини динамічного навантаження підвішування і поглибленому уявленні про фізичні процеси зношування поверхонь тертя з урахуванням теплових потоків в матеріалах елементів, що сполучаються.

Розробці теоретичних основ проектування ресорного підвішування екіпажа, вдосконаленню технологічних методів підвищення зносостійкості демпфуючих пристроїв і присвячується ця робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках шостої і сьомої наукових програм з розвитку рейкового транспорту країн Центральної і Східної Європи, державної програми „Розвиток рейкового рухомого складу соціального призначення для залізничного транспорту і міського господарства” (постанова Кабінету Міністрів України № 769 від 02.06.98р.), НДР і ДКР ВАТ “ХК “Луганськтепловоз” із створення пасажирського тепловоза ТЕП150 (К 2004-01), плану нової техніки ВАТ “ХК “Луганськтепловоз” (К 2001-02) і (2001-04) „Роботи по підвищенню якості і надійності продукції і забезпечення технічного заділу”, науково-дослідної роботи з держбюджетної тематики: “Прикладні задачі теорії пружності і термопружності при розрахунку на міцність і жорсткість транспортних систем” і НДР „Дослідження і вибір фрикційних гасників коливань для моторвагонного рухомого складу” з ДП “Трансмашінвест” (№ 0106U000303).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка наукових основ синтезу фрикційних зв'язків і створення демпферів екіпажної частини швидкісного поїзда.

Для досягнення мети передбачено рішення таких задач:

1. Аналіз стану проблеми підвищення експлуатаційних якостей рухомого складу залізниць, взаємозв'язки конструкторських, технологічних, фізико-механічних чинників, що обумовлюють експлуатаційні властивості рухливих сполучень екіпажної частини і їх вплив на динамічні характеристики рухомого складу в умовах високих швидкостей руху.

2. Синтез фрикційних зв'язків екіпажної частини рухомого складу з метою забезпечення заданих експлуатаційних якостей і підвищення зносостійкості його складових елементів.

3. Дослідження закономірностей фізико-механічних процесів на фрикційному контакті, при взаємодії робочих елементів рухливих сполучень, в умовах високого контактного тиску, температури і частоти навантаження.

4. Розробка математичних моделей, що описують фізико-механічні процеси контакту поверхонь робочих елементів рухливих сполучень в умовах демпфірування коливань.

5. Дослідження закономірностей впливу конструкторських, технологічних і матеріалознавчих чинників на надійність і експлуатаційні властивості демпферів, а також характеристики зношування його робочих елементів.

6. Розробка рекомендацій щодо створення уніфікованих фрикційних демпферів, адаптованих до умов швидкісного руху, а також до конструктивних особливостей рухомого складу різних типів і років виготовлення.

7. Створення натурної стендової установки для експериментального дослідження силових, температурних і навантажувально-швидкісних характеристик демпферів. Експериментальна оцінка адекватності математичних моделей і теоретичних положень виконаних досліджень.

8. Конструкторсько-технологічна реалізація розроблених рекомендацій з підвищення експлуатаційних якостей рухомого складу в умовах швидкісного залізничного руху: розробка уніфікованої конструкції і технології виготовлення демпферів, їх стендові і дослідно-промислові випробування.

9. Лабораторні, стендові і дослідно-промислові випробування розроблених демпферів, обробка і аналіз результатів.

Об'єкт дослідження: процес демпфування коливань елементів екіпажа рухомого складу в умовах швидкісного залізничного руху.

Предмет дослідження: функціональний зв'язок між конструктивними особливостями, фізико-механічними властивостями матеріалів фрикційних демпферів ресорного підвішування і показниками гасіння коливань екіпажа вагону в умовах швидкісного руху.

Методи дослідження: теорія коливань механічних систем, метод кінцевих елементів, математичне моделювання досліджуваних процесів на основі диференціальних рівнянь у частинних похідних, методи чисельного експерименту, методи аналізу і синтезу випадкових величин і випадкових процесів, методи експериментальних досліджень і математико-статистичні методи обробки експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у подальшому розвитку теорії створення високоефективних демпферів екіпажу швидкісного поїзду, заснованої на синтезі фрикційних зв’язків ресорного підвішування і поглибленим уявленням механізму зношення робочих поверхонь головної пари тертя з урахуванням теплових потоків дисипативної роботи та теплообміну з навколишнім середовищем і полягає в наступному:

- уперше розкриті закономірності фізико-механічних процесів фрикційного контакту елементів демпфера, що сполучаються, які приводять до катастрофічного зносу і різкому погіршенню експлуатаційних характеристик ресорного підвішування. Встановлено, що основним чинником зносу є локальний перегрів поверхонь середньої частини втулки шпінтона в зонах з підвищеним коефіцієнтом тертя з подальшим тужавінням і виривом металу втулки та сухарів. Визначені межі прийнятного зносу поверхонь тертя виходячи з умов стабільної роботи фрикційного демпфера;

- уперше визначено вплив конфігурації профілю зносу на трибологічні показники роботи головної пари тертя. Отримані аналітичні вирази, які встановлюють зв’язок між кутом виробки початкової ділянки зносу втулки і поріговим зусиллям стиску за критерієм збереження експлуатаційної рухомості сполучених елементів демпфера надбуксового ступеня для різноманітних матеріалів і засобів поверхневого зміцнення;

- запропоновано спосіб визначення потужності теплового випромінювання дисипативної енергії гасіння коливань в залежності від умов роботи демпфера рішенням зворотної задачі теплопередачі з використанням дослідних даних температурного поля контактуючих та теплообмінних поверхонь;

- уперше розроблена комплексна тривимірна математична модель процесу зносу контактуючих поверхонь рухомих сполучень фрикційного демпфера, основаного на рішенні контактних задач механіки твердого тіла і нестаціонарних задач термопружності з урахуванням змін триболгічних властивостей матеріалів у процесі їхнього нагрівання. Модель розкриває картину напруженого стану області контакту, термічних деформацій, залишкових напруг та розподіл температур в об’ємі взаємодіючих тіл;

- удосконалена математична модель коливань екіпажу вагона з більш точним уявленням динамічного навантаження ходової та екіпажної частин, а також застосуванням аналітичних виразів силових характеристик демпфера і співвідношень жорсткостей двох ступенів пружного підвішування. Комплексний математичний апарат включає необхідні складові для рішення оптимізаційної задачі пошуку найкращих конструктивних параметрів механічної системи, яка забезпечує необхідні динамічні показники вагона в умовах швидкісного руху поїзда.

- науково обґрунтовані конструктивні та технологічні засоби підвищення зносостійкості і стабільності характеристик фрикційного демпфера. Виявлена і оцінена можливість підвищення довговічності демпфера шляхом спеціального профілювання сполучень головної пари тертя. Зокрема, встановлена доцільність виконання поверхні тертя втулки шпінтона у вигляді ступінчастої піраміди, кількісно оцінено резерв підвищення термічної зносостійкості робочих поверхонь, що сполучаються методами пластичного деформування;

- одержали подальший розвиток методи статистичної обробки і аналізу результатів натурних випробувань зносу і прогнозування довговічності за даними експлуатації основних елементів фрикційних демпферів ресорного підвішування. Доведена ефективність запропонованих методів аналізу при проектуванні ефективних фрикційних рухомих сполучень екіпажа з прогнозованими експлуатаційними властивостями.

Практична цінність.

1. Реалізація розроблених рекомендацій по поліпшенню поліпшення експлуатаційних властивостей і надійності швидкісного і традиційного рухомого складу залізниць дозволила створити перспективну уніфіковану конструкцію фрикційного демпфера, адаптовану до рухомого складу різного типу, і забезпечити зниження інтенсивності зношування робочих елементів, стабільність робочих характеристик в межах міжремонтних пробігів і скоротити об’єм ремонтних робіт.

2. Розроблена комплексна тривимірна модель процесу зношування контактуючих тіл, застосована на рішенні контактних задач механіки твердого тіла і нестаціонарних зв’язаних задач теплопровідності, яка дозволяє проводити аналіз напруженого стану області контакту, термічних деформацій, залишкових напруг і розподілу температур в об'ємі матеріалу взаємодіючих елементів і більш ніж в два рази скоротити вартість дослідно-конструкторських робіт по вибору варіантів конструкцій для рухомого складу різного типу і років споруди.

3. Одержані аналітичні вирази, що встановлюють закономірності взаємозв'язку кута вироблення початкової ділянки зносу втулки шпінтона і поріговим зусиллям стиснення натискної пружини, що дозволили визначити конструктивні параметри демпфера, які забезпечують його експлуатаційну рухливість при допустимому зносі фрикційних сполучень.

4. На підставі аналізу коливань екіпажу рухомого складу показано, що нові конструкції фрикційних гасителів коливань забезпечують підвищення їх експлуатаційної надійності при високих швидкостях руху транспортного засобу (до 65 м/с) і мають переваги в порівнянні з аналогами по критеріях інтенсивності зношування і надійності (безвідмовності і довговічності), що дозволяє збільшити межремонтний пробіг вагонів в 1,5...2,0 рази. Окрім цього, вживання при виготовлені демпфера ресурсозберігаючих технологій забезпечить економію матеріалів в 2,5 рази.

5. Запропоновані методи статистичної обробки і аналізу результатів натурних випробувань зносу дозволили понизити трудомісткість процесу обробки статистичних даних.

6. Основні результати роботи упроваджені у ВАТ “ХК “Луганськтепловоз”; НВЦ “Трансмаш”, ВАТ “Трансмашінвест” м. Луганська у вигляді технічних пропозицій по розробці принципово нових конструкцій гасителів коливань транспортних засобів, методик по дослідженню робочих характеристик фрикційних гасителів коливань, рекомендацій по підвищенню надійності зв'язаних рухомих сполучень елементів рухомого складу, методик розрахунку і моделювання процесів зношування поверхонь тертя елементів екіпажної частини, рекомендацій з удосконалення технологій обробки поверхонь що труть і технологічних процесів виготовлення деталей і вузлів екіпажної частини. Економічний ефект від упровадження фрикційного демпфера складає 820 тис. грн. на 500 вагонів.

7. Результати роботи використовуються в учбовому процесі науково-навчального інституту транспортних технологій Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (м. Луганськ), кафедри триботехніки інституту машинобудування (м. Санкт-Петербург, Росія).

8. Результати роботи використані в проектно-конструкторській діяльності лабораторії полімерних композитів Дніпропетровського аграрного університету при виконанні НДР “Розробка композиційних матеріалів на основі полімерних зв’язуючи і волоконних і нанодисперсних наповнювачів, дослідження їх властивостей і можливостей вживання в конструкціях машин і механізмів”

Апробація роботи. Матеріали дисертації обговорювалися на: IХ-XVI міжнародних конференціях “Проблеми розвитку рейкового транспорту” (Крим,1999-2006 рр.); Міжнародній науково-практичній конференції “Наука, техніка і вища освіта: проблеми і тенденції розвитку” (Ростов-на-Дону, Росія, 2004, 2006); VI-VIII Китайсько-

російському симпозіумі “Нові матеріали і технології” (Пекін, Агой, Гуан-Чжоу, 2001 – 2003 - 2005); Міжнародній науково-практичній конференції “Наука в транспортному вимірі” (Київ, 2005); II і III Всеукраїнській науково-практичній конференції “Інформаційні технології і безпека в управлінні”, (Крим, 2005, 2006), Науковому семінарі департаменту залізничної інженерії (Катовіце, Польща, 2005); 4-ій - 6-ій Міжнародній конференції “Трибологія і надійність” (Санкт-Петербург, 2004, 2005, 2006); III науково-технічній міжнародній конференції “Транспортні системи Сибіру”; 2-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Упровадження наукомістких технологій на магістральному і промисловому залізничному транспорті” (Алушта, 2006); VI міжнародній конференції “Телематика і безпека транспорту” (Катовіце, Польща, 2006), на наукових конференціях викладачів, аспірантів і працівників СНУ ім. В. Даля (Луганськ, 1994-2006).

Публікації. За результатами проведених робіт опубліковано: 30 статей у спеціальних виданнях (у тому числі 16 без співавторів), одержано 7 деклараційних патентів України, опубліковано 6 тез доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, результати досліджень, висновки і рекомендації, що сформульовані в дисертації і є предметом захисту, одержані автором самостійно і висловлені в наукових публікаціях, написаних без співавторства. В наукових публікаціях, написаних у співавторстві, автору дисертації належать: математичні моделі для визначення температури в зоні контакту при пластичній деформації, пластичного вигину з розтягуванням при згинанні листа, вимірювання коефіцієнта тертя, процесу двокутового згинання, процесу зношування контактуючих поверхонь рухливих сполучень елементів фрикційного демпфера [2, 3, 5, 9, 30]; методика визначення темпу наростання зносу при різних видах механічної, термічної обробки і шорсткості поверхні, визначення зносу [6, 28]; аналіз причин відмов фрикційних гасників коливань [7]; конструкційні методи забезпечення надійності фрикційних гасників коливань [11, 17, 25, 26, 32, 33]; технологічні методи забезпечення надійності [9, 17, 24, 25];

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 7 глав, списку літератури і додатків. Робота висловлена на 291 сторінках машинописного тексту, містить в собі 147 малюнків, 5 таблиць, 223 найменувань літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність і сформульовані мета й задачі дослідження.

У першому розділі виконаний аналіз стану проблеми підвищення експлуатаційних якостей рухомого складу залізниць, взаємозв'язків конструкторських, технологічних, фізико-механічних чинників, що обумовлюють експлуатаційні властивості рухливих сполучень екіпажної частини і їх вплив на динамічні характеристики рухомого складу в умовах високих швидкостей руху. Розглянуті методи і принципи розробки пружно-дисипативних зв'язків елементів конструкції екіпажної частини, можливість вживання ресурсозберігаючих, маловідхідних технологій і нових матеріалів з метою поліпшення експлуатаційних властивостей рухомого складу, призначеного для умов швидкісного залізничного сполучення.

Значний внесок у створення і вдосконалення експлуатаційних властивостей рухомого складу, а також в рішення задач суміжного характеру, що стосуються підвищення зносостійкості елементів вузлів і агрегатів, зниження їх матеріаломісткості, внесли Блохін Е. П., Буше М. А., Вериго М. Ф., Вершинский С. В., Войнов К. М., Голубенко О. Л., Демин Ю. В., Евстратов В.О., Кеглин Б. Г., Крагельский І. В., Лазарян В. А., Лукин В. В., Макушок С.М., Мямлин С.В., Никольский Л. Н., Пастухов І. Ф, Погорєлов Д. Ю., Попов Е.О., Романовский В.П., Сегал В.М., Сладковский О. В., Сторожев М.В., Тартаковский Э. Д., Томленов А.Д., Ушкалов В. Ф., Хусидов В. Д., Челноков І. І., Чичинадзе А. В., Шадур Л.А., H. Scheffel, W. Kik, D. Moelle.

Аналіз досліджуваної проблеми показав, що інтегральні експлуатаційні властивості рухомого складу формуються на основі індивідуальних властивостей його конструктивних елементів і рухливих сполучень, головною ланкою яких є демпфери, що виконують функції гасіння високочастотних коливань, що особливо виявляються на високих швидкостях руху рухомого складу, а також дисипації енергії в навколишнє середовище за допомогою зовнішнього або внутрішнього тертя.

Розвиток швидкісного руху на залізничному транспорті висуває підвищені вимоги до експлуатаційних якостей рухомого складу, що пов'язано з необхідністю рішення ряду проблем. Першорядними серед них є істотне адекватне поліпшення експлуатаційних якостей рухомого складу і забезпечення стабільності реалізації цих якостей протягом всього терміну експлуатації.

Практичне рішення цих проблем є винятково складним, враховуючи екстремальні умови експлуатації рухомого складу, обумовлені високим рівнем робочої температури, частоти взаємодії і напруженим станом області контакту робочих елементів, який відбувається на фоні домінуючого впливу кліматичних чинників.

Як свідчить попередній аналіз, одним з перспективних напрямів рішення проблеми забезпечення стабільно високих експлуатаційних характеристик рухомого складу при швидкісному русі є синтез фрикційних зв'язків екіпажа, який створить передумови для розробки принципово нових конструкцій і технологій виготовлення вузлів ходової частини, що безпосередньо впливають на експлуатаційні властивості рухомого складу.

На основі запропонованого підходу в роботі сформульовані мета і задачі дослідження.

У другому розділі проаналізовано показники надійності і обгрунтовування впливу показників безвідмовності і довговічності на технічний стан рухомого складу.

Встановлено, що на зниження функції надійності і стабільності роботи пар тертя фрикційних демпферів впливає зміна характеристик деталей, пов'язаних з їх нерівномірним зносом, основним механізмом руйнування фрикційних демпферів на поверхнях тертя є утворення і накопичення пошкоджень в тонких поверхневих шарах матеріалу. При цьому наявність абразиву, хімічних перетворень або явища перенесення можуть лише змінювати інтенсивність руйнування.

У даній роботі основну увагу приділено вивченню поступових відмов (зношеннєвих) і методам боротьби з ними.

Дослідження зносу деталей фрикційного демпфера пасажирського екіпажа перед ремонтом показали наявність дефектів у вигляді подряпин, виривів металу, відколів кромок у фрикційних сухарів. Знос великої кількості деталей складав 1,5...5 мм, їх твердість (29...40 HRC) не відповідає заданій (42...45 HRC). Металографічні дослідження показали, що в більшості деталей загартований шар цілком зношений, структура зношеного шару є троосто-сорбітною із включеннями фериту у вигляді сітки по границях зерен. Відомо, що така структура при низькій поверхневій твердості не забезпечує необхідної зносостійкості.

Подібного роду дефекти призводять до різкого збільшення коефіцієнта тертя на головних і допоміжних поверхнях і зміни сили опору демпфера, що призводить до погіршення динамічних властивостей екіпажа.

На підставі проведених досліджень встановлено, що сила опору, що виникає в гаснику, залежить від конфігурації профілю зносу. За критерієм збереження експлуатаційної рухомості сполучених елементів демпфера одержана аналітична залежність кута виробки початкової ділянки зносу втулки ? від порігового зусилля стиску пружини.

де С – константа;

P – максимальне зусилля стиску пружини при верхньому положенні фрикційного сухаря; Н;

а – ордината центру групування; м;

P1 – максимальне зусилля стиску пружини при нижньому положенні фрикційного сухаря, Н;

L – максимальне переміщенні фрикційного сухаря; м;

– середнє квадратичне відхилення;

Ф – інтеграл вірогідності.

Визначений критичний кут ?=17,50.

Дійсні значення кутів нахилу поверхні втулки підраховані по зміряних координатах точок зношеної в експлуатації поверхні тертя втулок і складають .… при її зносі 1,2...2,0...2,5 мм з боку максимального вироблення. Встановлений критичний кут при гранично допустимому зносі втулки, який складає 16,50...18,50.

Порівняння близькості емпіричного і теоретичного розподілів проведено за критерієм згоди акад. А. Н. Колмогорова. Вірогідність складає Р(()=0,54, що узгоджується з нормальним законом розподілу.

На зниженні функції надійності фрикційного демпфера позначається вплив зміни характеристик деталей – втулки шпинтона, шести фрикційних сухарів і двох натискних кілець. На підставі даних про відколи кромок сухарів, зноси деталей і їх граничне зношення визначені значення вірогідності безвідмовної роботи P(t) деталей типового фрикційного демпфера пасажирського візка по запропонованій методиці, реалізованій в пакеті прикладних програм MathCAD. Згідно з цією методикою нормальний закон розподілу визначається двома двопараметричними функціями розподілу випадкової величини – щільністю розподілу f(t,x) і функцією розподілу F(t,x), де t – час експлуатації елемента, x – величина досліджуваного параметра. Функція розподілу визначає вірогідність безвідмовної роботи P(t).

Встановлено, що елементами фрикційного демпфера, які зношуються при пробігу вагону 400 тис. км, виявилися втулка шпинтона P(t)=0,805 унаслідок зносу і фрикційні сухарі (P(t)=0,965) через відколи кромок. Для підвищення зносостійкості цих ланок необхідні нові конструкції сухаря і втулки і технології їх виготовлення.

На підставі проведеного синтезу фрикційних зв'язків встановлена необхідність зміни геометрії головної пари тертя за рахунок того, що: втулку шпинтона необхідно виконати пірамідальною, наприклад, з 6 гранями, а сухарі з плоскою поверхнею тертя прямокутної форми, що забезпечить постійність площі контактної поверхні пари тертя фрикційний сухар-втулка шпинтона, коефіцієнта тертя і стабільну роботу (патент України №7561); на поверхні втулки виконати виступ для запобігання утворенню заглиблення (патент України № 7609).

Для виготовлення втулки шпинтона і фрикційних сухарів пропонується застосовувати нові ресурсозберігаючі технології, засновані на методах пластичної деформації металів.

Для обгрунтування запропонованих конструкторсько-технологічних рішень, кількісного опису динамічних властивостей фрикційних демпферів і вироблення рекомендацій по їх експлуатації в умовах швидкісного залізничного руху необхідне створення цілого комплексу математичних моделей для вирішення поставлених задач.

У третьому розділі вирішена задача контактної взаємодії елементів фрикційного демпфера рейкового екіпажа з метою обгрунтування обраної конструкції і визначення оптимальних умов експлуатації.

Аналіз умов експлуатації показав, що нестабільність коефіцієнта тертя фрикційних демпферів залежить від чинників, визначальними з яких є навантаження, швидкість переміщення, температура і фізико-механічні властивості контактуючих поверхонь. Для ефективної роботи цих сполучень необхідний цілий комплекс математичних моделей для пов'язаного нагляду за всіма визначальними чинниками.

Передача зусиль і руху від однієї деталі до іншої проводиться тиском в області контакту. Визначення цього тиску має істотне значення для розрахунку напруг, зносостійкості, температурного режиму, переміщень і інших чинників контактної міцності і жорсткості.

Математичне моделювання контактної взаємодії елементів рухливих сполучень проводиться методом кінцевих елементів з метою визначення контактних і термічних напруг, розподілу теплових потоків по поверхнях елементів, що сполучаються, знання яких дозволить створити високонадійні конструкції рейкових екіпажів.

Метод кінцевих елементів є одним з найефективніших методів рішення задач механіки твердого тіла, що деформується, у тому числі і контактних. Тому рішення поставленої зв'язаної задачі, що є цілим комплексом задач, який повинен розв'язуватися одночасно, проведено з використанням пакету прикладних програм MSC.MARC і MSC.NASTRAN. При цьому підготовку моделі проведено в NASTRAN з подальшим її експортом в MSC.MARC 2003. Використовуючи вказані переваги цих двох пакетів, вирішена тривимірна контактна задача фрикційної взаємодії елементів рухливих сполучень рейкового екіпажа в термо-пружно-пластичній постановці.

Рішення задач механіки твердого тіла, що деформується, полягає у визначенні в кожній точці середовища:

1) компонента тензора напруг Т, що задовольняє рівняння руху:

де - оператор Лапласа , - щільність середовища, – масова сила, - вектор швидкості.

2) компонента вектора швидкості , що задовольняє рівняння нерозривності середовища:

3) температури, що задовольняє рівнянню теплопровідності

де Т - температура, а - коефіцієнт температуропровідності, с – коефіцієнт теплоємності, I – механічний еквівалент тепла, Т? – інтенсивність дотичних напруг, Н – інтенсивність зрушувальних швидкостей деформацій.

Геометричне моделювання проведено на прикладі нової головної пари тертя фрикційного демпфера, що знаходиться в надбуксовиму ступені підвішування пасажирського вагону, і складається з втулки шпинтона і шести фрикційних сухарів.

Генерація кінечноелеметних сіток виконана напівавтоматичним способом.

Розрахунок температури і термопружних напруг у зоні контакту елементів сполучення проводився в зв'язаній постановці, оскільки в даній задачі тепловий потік, що виникає унаслідок тертя робочих поверхонь втулки шпинтона і фрикційних сухарів, наперед невідомий. Рішення зв'язаних задач термо-пружно-пластичності здійснено за допомогою пакету MSC.MARC в квазистатичній постановці.

Визначення контактних напруг в головній парі тертя здійснювалося в локальних координатах. Конструкція даного вузла центрально симетрична, тому з метою економії часу рішення розглядалася 1/12 частина втулки. Ітераційно підбираючи переміщення верхньої конічної поверхні фрикційного сухаря, з тим щоб сума проекцій контактних сил, діючих у вузлах, що контактують з даною поверхнею, дорівнювала 600 Н (сумарна сила відповідає загальному навантаженню 7200 Н), визначала контактні напруги.

Розглянуті поля напруг на початку і в кінці робочого ходу фрикційного демпфера, розподіл яких дозволив оцінити локальні максимуми, відповідно рівні 1,268 МПа і 2,584 МПа.

Поле нормальних контактних напруг після закінчення робочого ходу (0,195с), представлено на рис. 1. Встановлено істотну відмінність від аналогічного розподілу контактних напруг в статиці не тільки величиною максимальних напруг (2,584 МПа), але і градієнтом зміни поля напруг, що призводить до зростання контактних вузлових сил тертя, роботи сили тертя і теплового потоку.

Рис. 1. Розподіл нормальних контактних напруг після закінчення робочого ходу (time=0,195 с)

Проведено аналіз зростання температури в максимально нагрітому вузлі взаємодіючих тіл на кожному циклі навантаження (рис. 2). Встановлено, що температура зростає поступово, в середньому на 0,054С протягом кожного циклу навантаження.

Рис. 2. Розподіл температури в максимально нагрітому вузлі

Слід також зазначити, що вказаний прогноз заснований на результатах розрахунку, в якому враховувалося конвекційне охолоджування із швидкістю 60 км/ч, а також радіаційне охолоджування.

Результати проведених досліджень дозволили вибрати обгрунтовані режими експлуатації фрикційних демпферів. Для запобігання явищам схоплювання на контактуючих поверхнях фрикційного демпфера, прогнозуються такі режими експлуатації: питоме навантаження робочих поверхонь не більше 15 МПа, швидкість переміщення фрикційних сухарів не вище 0,4 м/с, тривалість одного циклу навантаження - не більше 0,4 с, шорсткість поверхні повинна бути не вищою 0,63 Ra, а поверхнева твердість не менше 50 HRC.

У четвертому розділі зроблений вибір характеристик фрикційних демпферів. Для проведення оптимізації параметрів демпферів розглянуті власні і вимушені коливання пружнопідвішеної частини пасажирського вагона у вертикальній площині.

Пасажирський вагон у вертикальній повздовжній площині має шість тупенів волі по числу узагальнених координат положення кузова і рам візків (положень центрів ваги Zk, ZT1, ZT2 і кутів поворотів щодо поперечних горизонтальних осей, що проходять через відповідні центри ваги ??, ?T1, ?T2).

Схема пружного підвішування пасажирського вагону представлена на рис. 3.

Для розгляду коливань прийнята математична модель коливань вагону, що дозволяє включати в ресорне підвішування сухе тертя і тертя, пропорційне переміщенню.

Рис. 3. Схема пружного підвішування пасажирського вагону у вертикальній повздовжній площині

Математична модель вільних коливань представлена у вигляді:

,

де М – маса кузова вагона, кг; mТ – маса пружно-підвішеної частини візка, кг; IКУ – момент інерції кузова щодо поперечної горизонтальної осі, яка проходить через центр ваги кузова, кг•м2; IТУ – момент інерції пружно підвішеної частини візка щодо поперечної горизонтальної осі, яка проходить через центр ваги цієї частини візка, кг•м2; жЦВ – жорсткість центральної ступіні пружного підвішування візка у вертикальному напрямку, Н/м; жЦГПР – у подовжньому напрямку, Н/м; жБВ – жорсткість у вертикальному напрямку надбуксової ступіні пружного підвішування візка, що приходиться на одну колісну пару, Н/м; lБ – половина бази вагона, м; lТ – половина бази візка, м; hc – висота центра ваги кузова над верхніми опорними поверхнями центральних пружинних комплектів, м.

Незалежні змінні Zk, ZТ1, ZТ2, а також ?? ?1 ?2 позначені вище.

Початкова система розщеплюється на дві незалежні підсистеми, перша описує коливання підстрибування кузова - z1 і рам візків - z2, а друга підсистема описує асинфазне підстрибування візків z3 і коливання галопування кузова z4. В початкових позначеннях: z1 – Zk, z2 – ZT1+ ZT2, z3 – ZT1- ZT2, z4 – ??. Перша підсистема представлена першим рівнянням початкової системи і сумою другого і третього рівнянь; друга – різницею другого і третього, а також четвертим рівнянням початкової системи.

Якісний аналіз і чисельна інтеграція початкової системи рівнянь проведені за допомогою пакету прикладних програм (ППП) MAPLE 8. Для визначення головних видів коливань були одержані частоти і форми власних коливань в загальному аналітичному вигляді, а також амплітудно-частотні характеристики для даних підсистем (відношення амплітуд коливань кузова і пружнопідвішеної частини візка). На основі цього підходу було знайдено раціональне значення коефіцієнта демпфування в=180000 Нс/м (спочатку прийняте значення складало=18000 Нс/м).

На підставі чисельно-аналітичного аналізу початкової системи одержані такі висновки про форми коливань: при частоті 1,55 Гц відношення амплітуд власних коливань підстрибування кузова і візка складає 1,37; при частоті 9,40 Гц складає 0,11; відношення амплітуд коливань галопування при будь-яких частотах рівні 0.

Ці загальні висновки, одержані на основі якісного аналізу розщепленої системи, узгоджуються з результатами чисельного аналізу початкової, повної системи і даними, одержаними на практиці.

Окрім традиційного лінійного в'язкого тертя розглянуті коливання при сухому терті і при опорі, пропорційному переміщенню.

Вимушені коливання були розглянуті з позицій вибору характеристик демпфера і жорсткості пружного підвісу при проходженні вагоном синусоїдальних нерівностей шляху. Математична модель прийнята такою ж, як і для вільних коливань, але внесені зміни з додаванням двох параметрів: довжини і амплітуди нерівностей.

Визначені аналітично: відношення прогинань центральної і буксової сходинки підвішування (0,3186) і критичні швидкості (40,32 м/с) при русі по синусоїдальних нерівностях, що дозволило здійснити мінімізацію резонансних піків за рахунок раціонального вибору характеристик жорсткості і в'язкості пружного підвішування (рис. 4,а). Чисельне інтегрування вимушених коливань підтвердило результати, одержані аналітично. Дозволило визначити роботу гасника (роботу сил сухого тертя) як площу вкладених прямокутників (площа зовнішнього відповідає роботі сил сухого тертя за перший період коливань, другого - за другий і т.д.) (рис. 4,б).

Це свідчить про те, що перехід опору системи з гілки навантаження на гілку розвантаження і навпаки відбувається з певною деформацією елементів системи. Підтверджується також факт про те, що підвищення статичного прогинання системи поліпшує плавність ходу вагона. Модель з сухим тертям (рис. 4,б) відповідає діаграмі модернізованого гасника коливань.

а б

Рис. 4. Результати чисельного інтегрування

а – мінімізація резонансних піків; б – визначення роботи гасника коливань

Визначені межі стабільної роботи фрикційного демпфера з урахуванням плавності ходу вагона (W<3,25) і критичних швидкостей руху, що допускається, від 30 м/с до 65 м/с. При зносі втулки до 1,0...1,2 мм збільшення сил тертя в надбуксових ступінях підвішування від 1,2 до 15 кН (типовий до 4,5 кН) зменшує переміщення кузова і візків при підстрибуванні і галопуванні вагона у всьому діапазоні досліджуваних частот 1-10 Гц. При зносі втулки в межах 1,2...1,5 і понад 1,5 мм збільшення сил тертя в надбуксових ступінях підвішування від 40 кН (для типового 4,5...6,5 кН і 17 кН) практично не забезпечує допустиму плавність руху вагона у всьому діапазоні досліджуваних частот 1-10 Гц.

Одержані результати дозволяють зробити висновок про стійкість процесу демпфування коливань, обумовленого стабільною роботою фрикційного демпфера у разі зміни поверхні головної пари тертя.

П'ятий розділ присвячено дослідженню, пов'язаному із забезпеченням заданої якості рухомих сполучень фрикційного демпфера по геометричних і мікрогеометричних критеріях, физико-механічних властивостей і мікроструктури поверхневого шару. Дослідження виконано в контексті з методами виготовлення робочих деталей фрикційного демпфера на основі їх об'ємної пластичної деформації, оскільки відомо, що цей процес є однією з домінант впливу на физико-механічні властивості металів.

У зв'язку з цим в роботі запропонований спосіб виготовлення робочих елементів рухомих сполучень фрикційного демпфера методами штампування, як найповніше задовольняючий заданим вимогам по забезпеченню якості робочих елементів, а також ресурсозберіганню (патент України № 3595).

Досягнення поставленої мети зумовило рішення задачі деформованого твердого тіла згідно математичної моделі, приведеної в третьому розділі.

Рішення виконано методом кінцевих елементів (КЕ), що дозволило звести задачу з нескінченним числом ступенів вільності (математично є системою рівнянь у частинних похідних), до задачі з кінцевим числом ступенів вільності, число яких визначається кількістю вузлів (440) кінечноелеметної сітки (сітка КЕ, що складається з чотирикутних елементів першого порядку). Використаний найрозповсюдженіший спосіб рішення задачі в переміщеннях, який реалізований в пакеті прикладних програм (ППП) MSC.MARC 2003 і MSC. NASTRAN for Windows.

Моделювання процесу штампування виконано за допомогою ППП MSC.MARC 2003, при цьому підготовку моделі проведено в MSC. NASTRAN for Windows із наступним її експортом до MSC.MARC 2003 і написанням додаткових модульних програм. Вказаний пакет призначений для вирішення технологічних задач методом кінцевих елементів фізичних процесів з істотною нелінійністю.

Виконаний теоретичний аналіз технологічного способу підвищення зносостійкості елемента рухомого сполучення пластичним деформуванням за допомогою методу кінцевих елементів, дозволив визначити на кожному етапі деформування поточні деформації, залишкові напруги, зусилля деформації, а також розміри заготовки.

Проведені дослідження дозволили кількісно оцінити резерв підвищення міцності заготовки (150 МПа) і термічної зносостійкості робочих поверхонь сполучень (6-8 HRC).

У шостому розділі розроблені методики проведення досліджень фрикційних демпферів для визначення технічних характеристик, якості матеріалів і ресурсу роботи, а також для обгрунтування заходів щодо вдосконалення проектування, технології виготовлення і ремонту.

Для визначення технічних характеристик фрикційних демпферів після їх виготовлення використовувався спеціалізований ексцентриковий стенд з модернізованим вузлом випробовування (патент № 7609). У результаті випробувань визначені сили опору фрикційних демпферів порівнюваних конструкцій. Порівняння одержаних результатів з теоретичними, наведеними в четвертому розділі, дало відносну погрішність, яка не перевищує 13 %.

Основою для розрахунків показників надійності фрикційного гасника коливань є встановлення вірогідності безвідмовної роботи її елементів. В даній роботі вони встановлювалися статистичною обробкою результатів спостережень при стендових випробуваннях за зносом втулки шпинтона і фрикційного сухаря, виготовленого із сталі і композиційного матеріалу. Випробування проводилися на модернізованому стенді для випробувань втулок шпинтона фрикційних демпферів пасажирських візків. Одержана залежність зносу (yi, мм) від часу випробувань (xi, год.) рис. 5 і рис. 6, в дужках наведений середній знос.

Рис. 5. Знос типової (0,128) і модернізованої втулки (0,1)

Рис. 6. Знос сухаря типового (0,186) і модернізованого (0,147)

Випробування проводилися протягом 400 годин. Порівняння зносостійкості здійснювали по лінійному розмірі, який вимірювали через рівні проміжки часу (80 годин). Проведена нелінійна апроксимація статистичних даних про знос (Wi), по методиці, запропонованій в даній роботі, з використанням математичного пакету MathCAD.

Одержані дані показують, що нова конструкція зменшує знос втулок і сухарів до 50 %.

Коефіцієнт тертя спокою визначався на спеціально сконструйованому приладі, що має площину, яка плавно нахиляється до тих пір, поки не буде помічено страгування сухаря з поверхні, на яку він спирається.

Рис. 7. Вірогідність безвідмовної роботи модернізованого фрикційного демпфера

Коефіцієнт тертя спокою для сталевих сухарів знаходиться в межах 0,23...0,36, а для сухарів з композиційних матеріалів - 0,21...0,29. Випробування на знос показали, що із збільшенням числа циклів роботи на поверхнях тертя сухарів з композиційних матеріалів з'являються задири, які можуть призвести до порушення стабільності роботи пари тертя і фрикційного гасника в цілому, а на сталевих сухарях за цей період часу такі явища не спостерігаються.

Одержана функція безвідмовної роботи модернізованого фрикційного гасника коливань при пробігу 400 тис. км, графік якої показаний на рис. 7, що говорить про стабільність роботи модернізованого пристрою (для порівняння пунктиром зображена функція надійності типового гасника в експлуатації, розрахована по запропонованій в даній роботі методиці).

У сьомому розділі дані рекомендації щодо створення фрикційних демпферів швидкісного екіпажа, наведено економічне обгрунтовування доцільності упровадження виконаних розробок. Вживання нових взаємозамінних демпфуючих пристроїв дозволить підвищити надійність і стабільність роботи фрикційного демпфера і збільшити міжремонтний пробіг вагона в 1,5...2 рази, а вживання нових ресурсозберігаючих технологій виготовлення втулки шпинтона і фрикційного сухаря дозволить скоротити відходи дорогого матеріалу в