ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

ПОПОВ Сергій Валерійович

УДК 629.4.027:625.1

Зниження рівня силової взаємодії гребенів коліс з рейками удосконалюванням пружних зв'язків екіпажа

05.22.07 - Рухомий склад залізниць та тяга поїздів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Луганськ - 2008

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі залізничного транспорту Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

ГОРБУНОВ Микола Іванович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, професор кафедри “Залізничний транспорт”.

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор

Маслієв Вячеслав Георгійович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри електричного транспорту та тепловозобудування

кандидат технічних наук, доцент

Черняк Ганна Юріївна, Київський університет економіки і технологій транспорту, доцент кафедри “Рухомий склад залізниць”

Захист відбудеться “ 26 ”_ травня_ 2008 р. о _13-00_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д29.051.03 Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034 м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

Автореферат розіслано “_25_” квітня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Осенін Ю.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Залізниці є найменш витратним засобом транспортування масових вантажів, завдяки чому її розвиток особливо важливий для економіки України. Україна має розвинену транспортну систему з дуже великим перевізним потенціалом, але через обставини, що склалися, у тому числі і зміни структури вантажо- і пасажиропотоків у зв'язку з утворенням нових держав, росте конкуренція з боку інших видів транспорту. Одним з шляхів подальшого розвитку залізничного транспорту і зростання його конкурентоспроможності є підвищення швидкості руху потягів і їхньої експлуатаційної економічності, що неможливо без вирішення завдання зниження силової взаємодії рухомого складу і залізничної колії.

Актуальність теми. Під час експлуатації рейкових екіпажів в більшості випадків від процесів, що відбуваються в контактах взаємодії колеса і рейки, залежать безпека і техніко-економічні показники тягового рухомого складу залізниць, у тому числі й інтенсивність зношення гребенів коліс і бічних поверхонь головок рейок.

В процесі взаємодії гребеня колеса з рейкою має місце розігрівання їхніх контактуючих поверхонь. Зростання температури на поверхні контакту впливає на фізичні властивості як матеріалів даної пари тертя, так і проміжних тіл, що позначається на інтенсивності їхнього зношування.

У зв'язку з цим обґрунтування шляхів і вибір заходів, спрямованих на поліпшення динамічних якостей локомотивів і зниження інтенсивності зношування бандажів колісних пар і рейок, необхідно проводити з урахуванням впливу умов взаємодії коліс локомотивів з рейками на теплові процеси, що протікають в зоні контакту. Тому підвищення довговічності гребенів коліс і рейок на основі більш глибокого вивчення механізму їхньої контактної взаємодії, розгляд чинників, що впливають на температурний режим цієї пари тертя, є актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, виконані в дисертації, є частиною “Державної науково-технічної програми розвитку залізничного транспорту України” і входять до „планів нової техніки Укрзалізниці”. Отримані в дисертації результати реалізовано в галузевих господарських договорах і держбюджетних НДР: “Створення перспективних конструкцій засобів рейкового транспорту і обґрунтування їх ефективності на підставі модульної інформаційної системи” (№ держ. рег. 0103U000422), “Автоматизована система керування (АСК) надійністю та діагностики рухомого складу (РС) на стадії проектування та експлуатації” (№ держ. рег. 0105U008785), “Розробка теорії фізико-хімічних процесів тертя при силовому контакті в процесах кочення й ковзання” (№ держ. рег. 0106U000289), “Аналітичне обґрунтування й експериментальна перевірка технічних рішень конструкцій ходової частини локомотива для швидкості руху 160-180 км/год” (№ Т-3\04). Автор є виконавцем всіх вищенаведених науково-дослідних робіт.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ресурсу колісних пар шляхом вдосконалення пружних зв'язків екіпажа.

Для досягнення поставленої мети визначено завдання дисертаційної роботи:

- уточнити математичну модель фрикційної взаємодії коліс з рейками;

- провести теоретичні дослідження по визначенню енергетичних параметрів, пов'язаних з роботою тертя і температури на поверхні контакту гребеня колеса з рейкою в процесі моделювання руху локомотива;

- уточнити метод розрахунку пружних характеристик блоку гумо-металевих елементів (ГМЕ) опор зв'язку кузова з візками;

- розробити рекомендації щодо вдосконалення конструкції екіпажної частини рейкового транспортного засобу з метою поліпшення його динамічних якостей і зниження сил взаємодії коліс локомотивів з рейками;

- удосконалити стендове устаткування для експериментального дослідження характеристик дослідних вузлів;

- провести експериментальні дослідження по визначенню пружних характеристик зв'язку кузова з візками і дослідне експлуатаційне дослідження з метою визначення впливу розробленої конструкції опори на динамічні якості і рівень взаємодії гребенів коліс з рейками при русі локомотива.

Об'єкт дослідження – динамічні процеси в системі “екіпаж – рейковий шлях”.

Предмет дослідження – закономірності силової взаємодії гребенів коліс з рейками і їхне зношення.

Методи дослідження. Експериментальне дослідження розроблених вузлів ходової частини локомотива і комп'ютерне моделювання процесів, що вивчаються. При розробці математичної моделі контактної взаємодії гребеня колеса з рейкою використовувалися методи теорії пружності.

Наукова новизна отриманих результатів:

- набула подальшого розвитку математична модель фрикційної взаємодії колеса з рейкою урахуванням геометрії контакту гребеня колеса з бічною поверхнею головки рейки, розподілом по ньому ковзань, тиску, температури і залежного від них фрикційного стану контакту за наявності проміжних тіл;

- вперше отримано кількісну залежність температури на поверхні контакту гребеня колеса з бічною поверхнею головки рейки від рівня силової взаємодії, величини швидкості ковзання і фрикційного стану контакту;

- вдосконалено метод розрахунку пружних характеристик блоку гумо-металевих елементів опор зв'язку кузова з візками, описом нерівномірності розподілу вертикального навантаження в окремих елементах блоку ГМЕ, а також урахуванням коефіцієнта форми кожного ГМЕ і їхньої деформації в процесі руху локомотива;

- науково обґрунтовано новий спосіб управління демпфуючими властивостями ротаційного гасителя коливань зміною в’язкісних характеристик робочої рідини шляхом дії на неї магнітного поля.

Практичне значення отриманих результатів. Основні результати дисертаційної роботи упроваджено на ВАТ “ХК “Луганськтепловоз” у виді математичної моделі фрикційної взаємодії колеса з рейкою, методики розрахунку пружних характеристик блоку гумо-металевих елементів опор зв'язку кузова з візками, пакета прикладних програм. Їхнє використання при проектуванні перспективних і модернізації існуючих конструкцій локомотивів дозволяє скоротити час і вартість НДКР, сформулювати рекомендації щодо вдосконалення екіпажної частини локомотивів.

Виконані автором наукові розробки використані ВАТ “ХК “Луганськтепловоз” при проведенні науково-дослідних і проектно-конструкторських робіт із створення і доведення ходової частини тепловоза ТЕП150. Зв'язки кузова з візками, розроблені з участю автора, випробувані і впроваджені на тепловозі ТЕП150.

З участю автора запропоновано нові технічні рішення щодо вдосконалення вузлів екіпажної частини локомотивів, ряд з них захищено патентами України (зв'язку кузова з візками – UA 10801; буксове підвішування – UA 10580, UA 10581, гасителі коливань – UA 6721, UA 67226 А, протизношувальний пристрій – UA 67225 А).

Отримані наукові результати використовуються в навчальному процесі на кафедрі залізничного транспорту СНУ ім. В. Даля при підготовці студентів за фахом 100501 – Рухомий склад та спеціальна техніка залізничного транспорту.

Особистий внесок здобувача:

- допрацьовано математичну модель фрикційної взаємодії в системі “колесо–рейка” з урахуванням фізико-механічних процесів в контакті гребеня колеса з рейкою [1, 7, 12] і проведено теоретичні дослідження розподілу енергії тертя і температури по взаємодіючих поверхнях [11, 7];

- уточнено метод розрахунку пружних характеристик блоку гумо-металевих елементів опор зв'язку кузова з візками, що враховує особливості конструктивного виконання блоку ГМЕ [6];

- виконано обробку і аналіз результатів експериментальних досліджень сполучень кузова локомотива з візком [3];

- запропоновано технічні рішення і рекомендації щодо поліпшення динамічних якостей локомотивів [4], зменшення рівня взаємодії коліс з рейками і їхнього зношування в кривих і прямих ділянках шляху [2, 5].

Особисто проведено всі розрахунки, обробку і аналіз результатів, зроблено висновки. За участі автора розроблено конструктивні рішення, на які отримано патенти України [8, 9, 10].

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались на Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми розвитку рейкового транспорту” (Крим-2003-2007 рр.), Fourth International Conference “Mechanical Engineering Technologies-04”, Bulgaria, Varna, 2004, Міжнародній науково-технічній конференції “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (Кривий Ріг 2004 р.), Seventh International Conference “Modern Electric Traction in Integrated XXIst Century Europe Poland”, Warsaw, 2005, III Всеукраїнській науково-практичній конференції “Інформаційні технології й безпека в керуванні” (Крим 2006 р.), а також на науковій конференції професорсько-викладацького складу і наукових співробітників (Луганськ-2004-2007 рр.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 статей. Отримано 3 патенти на винаходи.

Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, списку літератури і додатків. Повний обсяг роботи 187 сторінок, у тому числі рисунків 75 на 40 сторінках, 11 таблиць на 11 сторінках, список з 166 літературних джерел на 16 сторінках, 4 додатки на 4 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми дослідження, сформульовано мету й завдання дисертації. Представлено основні напрямки вирішення проблеми.

У першому розділі проведено огляд наукових праць, присвячених поліпшенню динамічних якостей, характеристик руху екіпажів локомотивів і, як наслідок, зниженню силового впливу на шлях і зношування коліс локомотивів і рейок. Вивченню різних аспектів проблеми взаємодії коліс локомотива з рейками присвячено роботи С.М. Андрієвського, А.І. Бєляєва, Є.П. Блохіна, М.Ф. Веріго, С.В. Вершинського, О.Л. Голубенка, С.М. Голуб'ятникова, М.І. Горбунова, В.Д. Дановича, Ю.В. Дьоміна, А.С. Євстратова, В.М. Іванова, І.П. Ісаєва, А.А. Камаева, О.Я. Когана, О.М. Коняєва, М.Л. Коротенка, С.М. Куценка, В.А. Лазаряна, Ю.М. Лужнова, В.Г. Маслієва, Г.С. Михальченка, Ю.І. Осеніна, А.П. Павленка, А.Н. Савоськіна, Г.В. Самме, Е.Д. Тартаковського, Т.А. Тібілова, В.П. Ткаченка, В.Ф. Ушкалова, Г.Ю. Черняк й ін., а також зарубіжних учених Барвела, Жолі, Калкера, Картера, Креттека, Мюллера, Де Патера, Х. Хеймана й ін.

У роботах наведених авторів і дослідженнях інших описано результати, що мають теоретичне й практичне значення для вирішення цієї проблеми, визначено резерви поліпшення динамічних якостей екіпажів і перспективи удосконалення ходових частин локомотивів. Викладено основні положення досліджень щодо взаємодії залізничних екіпажів і шляху. Відзначається, що для моделювання процесів зчеплення застосовуються методи, засновані на використанні закономірностей, установлених у трибології. Для встановлення причинно-наслідкових зв'язків в умовах багатофакторності процесу найбільш доцільним є визначення енергії тертя, що дає можливість встановити зв'язок зі зношуванням за енергетичним критерієм. Важливим й не до кінця вирішеним завданням є встановлення закономірності виділення енергії тертя й температури на взаємодіючих поверхнях гребеня колеса з бічною поверхнею головки рейки.

У другому розділі дисертації оцінюється вплив найбільш істотних факторів на умови контактування гребеня колеса з бічною поверхнею головки рейки. Для цього в дисертації запропоновано математичну модель розрахунку енергії тертя й температури на контактуючих поверхнях гребеня колеса з рейкою, що ґрунтується на вирішенні контактного завдання їхньої взаємодії.

Завдання контактної взаємодії гребеня колеса з рейкою можна сформулювати в такий спосіб: при заданих фрикційних умовах контактування, нормальному навантаженні, векторі ковзання, формі, пружних і теплофізичних властивостях матеріалів контактуючих тіл знайти поля температур – {Т} і потужності теплових потоків { }. Форма й розмір плями контакту (зона Е) гребеня колеса з рейкою й розподіл по його поверхні нормальних напруг визначаються за формулами теорії пружності. Поле температур визначається в ході вирішення нестаціонарного завдання теплопровідності.

Зміну температури на поверхні тертя гребеня колеса з головкою рейки із часом можна визначити, вирішивши нестаціонарне завдання теплопровідності, що у випадку незалежності теплофізичних властивостей матеріалів контактуючих тіл від температури описується диференціальним рівнянням теплопровідності

,

де – коефіцієнт теплопровідності; – об'ємна теплоємність матеріалів; – тепловий потік через поверхню; – температура; – час.

Для вирішення завдання введено додаткові допущення: точки колеса й рейки, потрапивши в зону контакту, рухаються паралельно осі ОХ; тепло, що генерується завдяки відносному ковзанню контактуючих поверхонь, поширюється тільки по нормалі до останнього.

Внаслідок прийнятих допущень взаємодіючі тіла можна моделювати набором стрижнів з теплоізольованими бічними стінками. Завдання теплопровідності для кожного стрижня контакту, що перебуває в площині (зоні Е), спрощується до одномірного завдання теплопровідності з поширенням тепла в напрямку, перпендикулярному до поверхні чарунки. Значення температури на поверхні стрижня з теплоізольованими бічними стінками, що потрапив у зону контакту та нагрівається тепловим потоком постійної потужності в довільний момент часу визначається за аналітичною залежністю:

,

де – теплопровідність, – питома теплоємність, – щільність,  – час контактування, – тепловий потік на поверхні чарунків плями контакту,  – глибина стрижня.

Температура визначається методом суперпозиції, уточнення джерела тепла виконується методом простої ітерації й одночасно розраховується (x,

,

де – швидкість ковзання точок плями контакту; – сила тертя.

Для урахування впливу мастильного матеріалу між контактуючими поверхнями на коефіцієнт тертя використовується залежність:

, (1)

де – коефіцієнт тертя незмазаних поверхонь; – динамічна в'язкість змащення; – швидкість ковзання; – погонне навантаження;  – коефіцієнт пропорційності.

Залежність (1) дозволяє розглянути вплив ряду факторів, таких як швидкість, навантаження й фактична (робоча) в'язкість змащення при температурі Т на поверхні контакту, на зміну значень коефіцієнта тертя.

Якісна оцінка впливу трибологічного стану контактуючих поверхонь на зношування гребенів коліс і бічних поверхонь головок рейок здійснюється за енергетичним критерієм зношування (за величиною потужності сил тертя в зоні контакту).

Для цієї математичної моделі розроблено програмне забезпечення, за допомогою якого отримано результати розрахунку температури, що виникає при взаємодії коліс локомотива з рейками (,). На   наведено результати розрахунку параметрів розглянутої трибосистеми за наявності між ними мастильного матеріалу (МС-20, швидкості руху локомотива , ковзанні й ).

Розроблена математична модель фрикційної взаємодії гребеня колеса з бічною поверхнею головки рейки є основою для методики визначення на стадії проектування впливу конструктивного виконання рейкових транспортних засобів на умови взаємодії й інтенсивність зношування гребенів коліс і рейок.

Рис. . Вплив швидкості ковзання на максимальне значення температури в контакті при різних навантаженнях дії: 1–бандажа на рейку; 2–гребеня колеса на рейку | Рис. . Вплив навантаження на максимальне значення температури в контакті при різних швидкостях ковзання: 1–бандажа об рейку; 2–гребеня колеса об рейку

Рис. . Залежність відношення коефіцієнтів тертя від величини бічної сили в контакті гребеня колеса з бічною поверхнею рейки | Рис. . Залежність відношення потужностей тертя в контакті гребеня колеса з бічною поверхнею рейки за наявності змащення й без нього від величини бічної сили

Рис. . Залежності максимальної (крива ) і середньої (крива ) відносної температури в контакті гребеня колеса з бічною поверхнею рейки від величини бічної сили

У третьому розділі дисертації представлено результати теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на поліпшення динамічних якостей локомотивів і умов взаємодії гребенів коліс із рейками завдяки удосконаленню конструкції й вибору раціональних характеристик зв'язків кузова з візками.

Для напрацювання рекомендацій щодо удосконалення конструкції сполучення кузова з візками тепловоза проведено теоретичні й експериментальні дослідження з визначення пружних характеристик опори.

Для визначення пружних характеристик комплекту ГМЕ особливий інтерес викликає горизонтальна й вертикальна деформація середнього гумо-металевого елемента при поперечному зсуві опорних поверхонь із урахуванням повороту на кут ().

Рис. 6. Розрахункова схема блоку опори складеного з гумо-металевих елементів

Припустимо, що до середнього гумо-металевого елемента прикладена вертикальна сила Q0 і горизонтальна сила Pгв. Паралельність цих пластин свідчить, що гумова шайба не сприймає якихось вигинаючих моментів. Тоді рівнодіюча сил Q0 і Pгв може бути замінена нормальною силою N і зсувною силою, P*гв:

;

.

Повна вертикальна деформація нахиленого гумового елемента дорівнюватиме:

.

Горизонтальна деформація нахиленого гумового елемента дорівнює:

,

де – вертикальна деформація гумового елемента; – деформація зрушення уздовж пластини; – кут нахилу пластин ГМЕ.

Для знаходження кута нахилу ГМЕ гумову шайбу розглянемо як деформований стрижень, що перебуває під дією поперечної сили Pгв і моменту сил Мi в умовах жорсткого кріплення одним кінцем до нерухомої поверхні. За формулами малих деформацій із закону Гука витікає, що розрахункове значення кута нахилу однієї сталевої пластини щодо іншої може бути визначено за формулою:

де – момент інерції гумової шайби щодо осі ОY, що проходить через її геометричний центр; Мi – момент сил, що діє на гумо-металевий елемент і залежить від його місцезнаходження в блоці ГМЕ, значення якого можна визначити за формулою:

;

,

де n - кількість ГМЕ в блоці; t - товщина сталевої пластини; i - кількість ГМЕ від середини блоку.

Величина повного поперечного переміщення опорних поверхонь, викликана силами Pгв і Q0, що діють на одну опору кузова, складається з кутів повороту й поперечного зсуву всіх гумо-металевих елементів блоку. Так, для опори, що складається з n елементів, повне поперечне переміщення опорних поверхонь визначається за формулою:

.

Жорсткість зрушення блоку ГМЕ визначається як результат розподілу величини повертаючої поперечної сили, Pгв на поперечне переміщення його опорних поверхонь

.

Результати розрахунків визначення пружних характеристик опор з різним виконанням комплекту гумо-металевих елементів за запропонованою методикою представлено на . Аналіз показує, що при різних конструктивних виконаннях блоку ГМЕ вдається змінювати як вертикальну, так і горизонтальну жорсткість опор.

На стендовій установці ВАТ “ХК “Луганськтепловоз” проведено експериментальні дослідження з визначення пружних характеристик розроблених натурних зразків пропонованих зв'язків кузова з візками з різною конфігурацією блоку ГМЕ.

Результати стендових випробувань бічних гумо-металевих опор кузова тепловоза 2ТЕ116 на візок у штатному й модернізованому виконанні показали, що штатна конструкція опори не забезпечує рівномірного напруженого стану елементів опори при роботі її на зрушення й стиск, а також стійкість блоку ГМЕ опори. Це негативно позначається на надійності й довговічності її роботи. На підставі проведених досліджень вироблено рекомендації з удосконалення зв'язків кузова з візками тепловозів 2ТЕ116 і ТЕП150.

Для оцінки впливу зміни характеристики зв'язку кузова з візками на динамічні показники тепловоза було проведено порівняльні випробування тепловоза 2ТЕ116 із серійними й модернізованими опорно-повертальними пристроями.

------- експериментальні дані розрахункові дані

Рис. 7. Залежність статичного прогину й горизонтальної жорсткості опори від варіанта конструктивного виконання блоку ГМЕ, кількості ГМЕ в ньому й вертикальному навантаженні: 1–всі ГМЕ мають отвори діаметром 90 мм; 2–два верхніх і два нижніх ГМЕ мають отвори діаметром 90 мм; 3–всі ГМЕ без отворів (серійна опора тепловоза 2TЕ116); 4–робота трьох верхніх ГМЕ на зрушення блокована обмежником.

Результати випробувань показали, що в процесі роботи тепловоза як у режимі вибігу, так і в режимі тяги візки часто рухаються з відхиленнями до осі кузова. При цьому спостерігається як зсув у поперечному горизонтальному напрямку, так і поворот у плані.

Результати порівняльних ходових динамічних випробувань свідчать про поліпшення динамічних якостей тепловоза 2ТЕ116 при установці на ньому дослідного сполучення кузова з візками. Так, рівень поперечних відхилень між кузовом і візками при установці дослідних опор у прямих ділянках шляху знизився на 20...40%, у кривих радіусом 600 м – 15...20%, кутових переміщень у прямих – на 20...45%, у кривих радіусом 600 м – 15...20%. Рівень рамних сил для прямих ділянок шляху зменшився на 20…30%, у кривих радіусом 600 м зміна рамних сил незначна (при установці дослідного зв'язку кузова з візком величини – YР1 і YР6 зменшилися на 7...12%). Забезпечено прийнятні результати зважування тепловоза, знижено значення максимальної фактичної різниці навантажень коліс однієї осі з 5% до 2%.

Отримані в роботі результати й висновки реалізовані в процесі проектування бічних опор кузова на візки тепловоза ТЕП150, що забезпечують необхідні пружні характеристики другого ступеня ресорного підвішування тепловоза для реалізації локомотивом конструкційної швидкості 160 км/год.

У четвертому розділі представлено розроблені за участю автора конструктивні рішення деяких вузлів ходової частини локомотивів, що поліпшують динамічні якості, знижують силовий вплив на шлях і зношування коліс локомотивів і рейок, а також проведено оцінку їхньої ефективності. За цими рішеннями подано заявки на винаходи й отримано деклараційні патенти України UA 67225 A, UA 6721, UA 10581.

Так, пропонований роторний гідравлічний гаситель коливань ресорного підвішування локомотива (д.п. UA 6721) дозволяє в процесі експлуатації управляти його робочими характеристиками. Необхідно відзначити, що управління відбувається завдяки нелінійному взаємозв'язку в'язкості магнітної рідини від напруженості поля. Така властивість робочої рідини дозволяє регулювати характеристики гасителя коливань, змінюючи параметри створюваного магнітного поля.

Проведені дослідження силових характеристик “шестиповерхневого” ротаційного гасителя коливань показали, що під час експлуатації забезпечується зміна його робочих характеристик до 20%.

Як видно з , зміна в'язкості робочої рідини дозволяє в широких межах змінювати значення силових характеристик гасителя (параметра , максимального значення дисипативної сили й роботи цієї сили).

Рис. 8. Залежність силових характеристик гасителя від в'язкості

Розрахунки, які було проведено для тепловоза ТЕП150, обладнаного пристроєм за д.п. UA 10581 й ін., показали ефективність їхнього застосування. Так, при русі по прямій ділянці шляху в режимі вибігу зі швидкістю руху від 40 до 160 км/год, зменшення жорсткості ресорного підвішування (особливо в буксовому ступені) привело до зниження максимальних вертикальних сил взаємодії коліс із рейками на 5%. Зменшуються й максимальні значення горизонтальних поперечних сил взаємодії як у буксовому ступені ресорного підвішування, так і коліс із рейками. Використання гребнезмащувача (д.п. UA 67225 A) також дозволяє поліпшити умови контактування гребенів колісних пар з рейками й знизити їхню інтенсивність зношування.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота містить отримані автором результати, які в сукупності вирішують актуальне науково-технічне завдання зниження силової дії гребенів коліс з рейками, що приводить до поліпшення динамічних якостей локомотивів і, як наслідок, зниження інтенсивності зношення коліс локомотивів і рейок завдяки використанню резервів удосконалення окремих вузлів конструкції екіпажної частини. Представлені в дисертації результати проведених теоретичних і експериментальних досліджень дозволяють зробити такі висновки:

1. Аналіз робіт, спрямованих на поліпшення динамічних якостей локомотивів і зниження інтенсивності зношування бандажів колісних пар і рейок показує, що застосування різних заходів щодо зниження зношення здійснюється без урахування їхнього впливу на теплові процеси, що протікають в зоні контакту коліс локомотивів з рейками.

2. Уточнено математичну модель фрикційної взаємодії колеса з рейкою, що дозволяє описати картину зношення гребенів колісних пар і рейок з урахуванням температурного режиму, і розробити рекомендації щодо його зниження. Для цієї математичної моделі створено програму, що дозволяє розрахувати геометрію плями контакту, розподілення по її поверхні виникаючих нормальних напруг, потужності тепловиділення, а також температури.

3. Встановлено ряд теоретичних закономірностей: контурної площі контакту гребеня колеса з головкою рейки від бічної сили дії гребеня колеса на рейку, яка становить 49 мм2 при бічній силі дії 65 кН; розподілу по поверхні плями контакту навантаження і температури, максимальні значення яких дорівнюють 2000 МПа (при силі дії гребеня колеса на рейку 65 кН) і відповідно 783 С° (при швидкості руху локомотива 60 км/год і ковзанні ); впливу навантаження і швидкості ковзання на максимальне значення температури на поверхні контакту.

4. Встановлено зони ефективного застосування рідких змащувальних матеріалів для розділення контактуючих поверхонь гребенів колісних пар з рейками. Показано, що (для випадку руху локомотива із швидкістю 60 км/год, ковзанням і зміною величини бічної сили) подача мастила в зону контакту дозволяє знизити: середній коефіцієнт тертя до 32%; значення максимальної і середньої температури на поверхні контакту до 9% і 26%; значення потужності тертя в контакті до 23%. Для нанесення мастила на гребені колісних пар залізничного транспортного засобу розроблено пристрій д.п. UA 67225 А.

5. Результати стендових випробувань бічних гумо-металевих опор кузова тепловоза 2ТЕ116 на візок в штатному і модернізованому виконанні показали, що штатна конструкція опори не забезпечує рівномірного напруженого стану елементів опори при роботі її на зсув і стиснення, а також стійкість блоку ГМЕ опори. Це негативно позначається на надійності і довговічності її роботи. На підставі отриманих експериментальних даних і результатів розрахунків пружних характеристик блоку гумо-металевих елементів опорно-повертаючого пристрою, для забезпечення більш рівномірного напруженого стану ГМЕ опори і підвищення її стійкості запропоновано варіанти конструктивного виконання бічних опор кузова на візки. Один з розроблених варіантів виконання блоку ГМЕ, що забезпечує необхідні пружні характеристики другого ступеня ресорного підвішування тепловоза для реалізації локомотивом швидкості руху 160 км/год, упроваджено на тепловозі ТЕП150.

6. Результати порівняльних ходових динамічних випробувань показали, що установка створених дослідних опор кузова на візки дозволила:–

поліпшити розважування тепловоза, знизити значення максимальної фактичної різниці навантажень коліс однієї осі з 5% до 2%;–

поліпшити умови повернення візка з крайнього відхиляючого положення в положення, симетричне осі головного екіпажа;– 

зменшити амплітуди поперечних коливань в горизонтальній площині візків щодо кузова при русі в прямих, кривих ділянках шляху і стрілочних переводів, що покращує показник плавності ходу з Wr = 3,5 до Wr = 2,95;–

понизити максимальні величини рамних сил в прямих з 33,5 кН до 31,15 кН, в кривих радіусом 600 м - з 39,9 кН до 36,9 кН, в кривих радіусом 300 м - з 55,6 кН до 51,6 кН, в стрілочних переводах по прямому шляху - з 28,15 кН до 24 кН, на бічний шлях- з 38 кН до 35,9 кН.

7. Проведені дослідження силових характеристик ротаційного гасителя коливань (д.п. UA 6721) показали, що під час експлуатації запропоновані конструктивні рішення забезпечують зміну його робочих характеристик до 20%.

8. Розроблені варіанти конструктивного виконання ресорного підвішування локомотива (д.п. UA 10581) дозволяють значно зменшити жорсткість ресорного підвішування і забезпечити хороші динамічні показники при русі тепловоза з великими швидкостями. Розрахунки показали, що для тепловоза, що рухається на вибігу по прямій ділянці шляху із швидкістю руху від 40 до 160 км/год запропоновані конструкції забезпечують зниження максимальних вертикальних сил взаємодії коліс з рейками на 5%.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Горбунов Н.И., Кашура А.Л., Попов С.В. О процессах в контакте гребня колеса с боковой поверхностью рельса// Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ, СНУ ім. В.Даля, 2003. – №9(67) – С. 100–103.

2. Горбунов Н.И., Кашура А.Л., Попов С.В. К вопросу снижения износа элементов триботехнической системы гребень колеса – рельс// Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ, СНУ ім. В.Даля, 2003. –№10(68) – С. 131–135.

3. Горбунов Н.И., Кашура А.Л., Попов С.В., Гундарь В.П. Результаты эксперимен-таль-ных исследований сопряжений кузова локомотива с тележкой// Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ, СНУ ім. В.Даля, 2004. – №8 (78) – С. 143–147.

4. Горбунов Н.И., Кашура А.Л., Попов С.В., Кравченко Е.А. Активное демпфирование колебаний в рессорном подвешивании экипажа локомотива // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ, СНУ ім. В.Даля, 2005. – №8 (90) – С. 152–155.

5. Попов С.В. Влияние конструктивного исполнения ходовой части на условия взаимодействия системы колесо-рельс // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ, СНУ ім. В.Даля, 2006. – №8 (102) – С. 135–136.

6. Попов С.В. Расчет упругих характеристик отдельных элементов опорно-возвращающего устройства // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ, СНУ ім. В.Даля, 2006. – №9 (103) – С. 190–194.

7. Горбунов Н.И., Кашура А.Л., Попов С.В., Кравченко Е.А., Малохатко А.А. Прогнозирование эффективности применения смазочных материалов в паре трения колесо – рельс с учетом температурных условий взаимодействия// Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ, СНУ ім. В.Даля, 2007. – №8 (114) – С. 100–104.

8. Деклараційний патент 67225 A Україна, МПК6 В 61 K 3/02. Пристрій для нанесення мастила на гребені колісних пар залізничного транспортного засобу / Горбунов М.І., Попов С.В., Кашура О.Л., Могила В.І., Мельников М.П., Басов Г.Г., Найш Н.М., Гундарь В.П.; Східноукр. нац. у-нт ім. В. Даля. – № 2003087565; опубл. 15.06.2004; Бюл. №6, 2004.

9. Деклараційний патент 6721 Україна, МПК6 F 16 F 9/12. Роторний гідравлічний гаситель коливань ресорної підвіски локомотива / Горбунов М.І., Кашура О.Л., Попов С.В., Кравченко К.О., Басов Г.Г., Гундарь В.П.; Східноукр. нац. у-нт ім. В. Даля. – № 20041109090; опубл. 16.05.2005; Бюл. №5, 2005.

10. Деклараційний патент 10581 Україна, МПК6 В61 F9/12. Ресорна підвіска локомотива / Басов Г.Г., Горбунов М.І., Кашура О.Л., Кравченко К.О., Могила В.І., Найш Н.М., Нестеренко В.І., Попов С.В.; Східноукр. нац. у-нт ім. В. Даля. – № ; опубл. 15.11.2005; Бюл. №11, 2005.

11. Басов Г.Г., Горбунов Н.И., Кашура А.Л., Попов С.В. К расчету температуры на поверхности пятна контакта гребня колеса с боковой поверхностью головки рельса// “MECHANICAL ENGINEERING TECHNOLOGIES-04” Sofia.- 2004. Vol. 8/76- P. 133-135.

12. Basov G., Gorbunov N., Kashura A., Popov S. The modeling of the heat processes in the pair wheel flange – rail // “Modern Electric Traction in Integrated XXIst Century Europe” Poland, Warsaw.- 2005.

АНОТАЦІЯ

Попов С.В. Зниження рівня силової взаємодії гребенів коліс з рейками удосконалюванням пружних зв'язків екіпажа. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.22.07 - Рухомий склад залізниць і тяга поїздів. - Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2008.

Дисертація присвячена поліпшенню динамічних і експлуатаційних якостей рейкових екіпажів, зниженню силової дії на шлях і зношення коліс локомотивів і рейок. Набула подальшого розвитку математична модель фрикційної взаємодії гребеня колеса з бічною поверхнею головки рейки. Отримали подальший розвиток методи розрахунку пружних характеристик блоку гумо-металевих елементів опор зв'язку кузова з візками, що враховують особливості конструктивного виконання блоку ГМЕ. Теоретично і експериментально обґрунтовано застосування розроблених конструктивних рішень вузлів ходової частини локомотивів, що поліпшують динамічні якості, котрі знижують силову дію на шлях і зношення коліс локомотивів і рейок.

Ключові слова: локомотив, кузов, візок, ресорне підвішування, гаситель коливань, колісна пара, рейка.

АННОТАЦИЯ

Попов С.В. Снижение уровня силового взаимодействия гребней колес с рельсами совершенствованием упругих связей экипажа. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов, Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2008.

Диссертационная работа посвящена улучшению динамических и эксплуатационных качеств, снижению силового воздействие на путь и износа колес локомотивов и рельсов.

Выполненный анализ научно-технической информации и результатов экспериментальных исследований по взаимодействию экипажной части и пути свидетельствует, что применение различных мероприятий по снижению износа осуществляется без учета их влияния на протекающие в зоне контакта колес локомотивов с рельсами тепловые процессы. В связи с этим обоснование направлений и выбор мероприятий, направленных на улучшение динамических качеств локомотивов и снижения интенсивности изнашивания бандажей колёсных пар и рельсов, необходимо проводить на основе более глубокого изучения механизма их контактного взаимодействия, рассмотрения факторов, влияющих на температурный режим данной пары трения.

Для описания картины износа гребней колесных пар и рельсов с учетом температурного режима и разработки рекомендации по его снижению, доработана математической модель фрикционного взаимодействия колеса с рельсом. Показано влияние боковой силы воздействия гребня колеса на рельс, скольжения и фрикционного состояния контакта на интенсивность износа и распределение по его поверхности возникающих нормальных напряжений, мощности тепловыделения, а также температуры.

Получили дальнейшее развитие методы расчета упругих характеристик блока резино-металлических элементов (РМЭ) опор связи кузова с тележками, учитывающие особенности конструктивного исполнения блока РМЭ, неравномерности распределения вертикальной нагрузки в отдельных элементах блока РМЭ и их деформации в процессе движения локомотива.

Исследование конструкций боковых резино-металлических опор кузова тепловоза 2ТЭ116 на тележку в штатном и модернизированном исполнении показали, что штатная конструкция опоры не обеспечивает равномерного напряженного состояния элементов опоры при работе ее на сдвиг и сжатие. Это отрицательно сказывается на надежности и долговечности ее работы. На основании полученных экспериментальных данных и результатов расчетов упругих характеристик блока резино-металлических элементов опорно-возвращающего устройства, для обеспечения более равномерного напряженного состояния РМЭ опоры и повышения ее устойчивости предложены варианты конструктивного исполнения боковых опор кузова на тележки. Один из разработанных вариантов исполнения блока РМЭ, обеспечивающий необходимые упругие характеристики второй ступени рессорного подвешивания тепловоза для реализации локомотивом скорости движения 160 км/ч, внедрено на тепловозе ТЭП150.

Теоретически и экспериментально обосновано применение разработанных конструктивных решений узлов ходовой части локомотивов, улучшающих динамические качества, снижающих силовое воздействие на путь и, как следствие, интенсивность износа колес локомотивов и рельсов, а также проведена оценка их эффективности.

Результаты диссертационной работы используются на ОАО “ХК “Лугансктепловоз” при проектировании перспективных и модернизации существующих конструкций экипажной части локомотивов, что позволяет сократить объем, трудоемкость и стоимость опытно-конструкторских работ и повысить их эффективность.

Ключевые слова: локомотив, кузов, тележка, рессорное подвешивание, гаситель колебаний, колесная пара, рельс.

THE SUMMARY

Sergey Popov. Level recession of wheels flange and rails force interaction due improving the resilient connections of crew. Manuscript.

Dissertation work on inception of scientific degree of Candidate of technical sciences on specialty 05.22.07 - Rolling railways equipment and trains traction in East Ukrainian National University named after Volodymyr Dahl, Lugansk, 2008.

Dissertation paper is devoted to improvement of dynamic and operating capabilities of railway crews, rails force interaction recession on the rail way and locomotive wheels and rails damage. The mathematic model of friction wheels flange and side surface bold of the rail force interaction has got the development. The methods of calculation of resilient descriptions of rubber-metal elements of block of supporting pole connection with wage body and a car, concerning the peculiarities constructive execute of rubber-metal block. . In theory and experimentally grounded the use of worked out constructive decisions of units running gear of locomotive that improve dynamic quality, that cause the level recession of force interaction on the rail way and locomotive wheels and rails damage.

Keywords: locomotive, wage body, railway car, spring hanger, extinguisher of vibrations, wheeled pair, rail.

Підписано до друку 23.04.2008 р.

Формат 60х90 1/16. Папір офсетний. Гарнітура Times.

Друк офсетний. Умов. друк. арк. 1,25.

Тираж 100 прим. Вид. № 2176. Замовлення № 277

Видавництво Східноукраїнського національного університету

імені Володимира Даля

91034, м.Луганськ, кв.Молодіжний, 20а

Дільниця оперативної поліграфії

Східноукраїнського національного університету

імені Володимира Даля

91034, м.Луганськ, кв.Молодіжний, 20а