Введение к работе
Актуальность темы. Стремление к увеличению провозной и пропускной способности железных дорог неизменно ведет к росту скорости движения и массы поездов, а, следовательно, секционной мощности локомотивов. Связанное с этим увеличение ускоряющих, замедляющих и направляющих сил, передаваемых через пару трения «колесо-рельс», обусловило ужесточение требований к ее фрикционным свойствам. При этом главным ограничивающим фактором является коэффициент сцепления, изменяющийся в зависимости от условий контакта в диапазоне 0,1... 0,5.
Стабилизация коэффициента сцепления на Российских и зарубежных железных дорогах осуществляется подачей в зону контакта колес с рельсами кварцевого песка, который наряду с обеспечением требуемого значения коэффициента сцепления 0,3 (за исключением случаев эксплуатации подвижного состава в экстремальных погодных условиях) способствует повышению износа рабочих поверхностей колес и рельсов, повышению сопротивления движению состава и засорению балластного покрытия пути.
Следствием этого явилось включение в программу стратегических направлений научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» указаний о разработке способов увеличения коэффициента сцепления до значения 0,3 и улучшения тяговых свойств локомотивов на 20...30% без увеличения нагрузки на оси колесных пар к 2015 г, что подчеркивает актуальность темы диссертационной работы.
Диссертационные исследования поддержаны государственным Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по госконтракту №8688 р/14017 от 14.01.2011 г.
Цель работы. Исследование тяговых качеств тепловозов с электропередачей, направленное на установление закономерностей повышения коэффициента сцепления при воздействии электрическим током на зоны контакта колес с рельсами.
Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать и создать натурный экспериментальный стенд для исследования тяговых качеств локомотивов;
определить количественные показатели коэффициента сцепления колес локомотива с рельсами при воздействии на зоны их контакта постоянным, переменным и выпрямленными электрическими токами и при различном состоянии контактирующих поверхностей по степени загрязнения;
определить качественные показатели силы тяги тепловоза с электропередачей при подаче в зоны контакта колес с рельсами тока тягового генератора;
сформулировать основные технические требования к системе повышения тяговых качеств тепловозов, предложить вариант системы, основанный на подаче тока тягового генератора тепловоза в зоны контакта колес с рельсами.
Методы исследований. Экспериментальные испытания проводились с использованием современных средств контроля и обработки данных на ПЭВМ. Обработка результатов экспериментов велась с использованием известных общепризнанных методик, базирующихся на современном аппарате математической статистики, математических методах обработки экспериментальных данных, теории планирования экспериментов. Теоретические исследования базировались на двух теориях расчета сил крипа: моделях Минова и FastS im.
На защиту диссертации вынесены следующие основные положения:
обоснование использования разработанного натурного экспериментального стенда для проведения исследований тяговых качеств локомотивов при воздействии электрическим током на зону контакта колеса с рельсом;
методика получения достоверных математических зависимостей величины коэффициента сцепления от силы тока, проходящего через зону контакта колеса с рельсом, и силы вертикального нагружения колеса;
оценка влияния тока тягового генератора на силу тяги тепловоза с электропередачей;
анализ результатов компьютерного моделирования процесса трогания с места и разгона тепловоза с учетом роста коэффициента сцепления, обусловленного воздействием электрическим током.
Научная новизна. Исследования, выполненные в рамках настоящей диссертации, дали ряд результатов, которые можно отнести к научной новизне работы:
получены математические модели коэффициента сцепления колес локомотива с рельсами при воздействии на зоны их контакта постоянным, переменным и выпрямленными электрическими токами и при различном состоянии контактирующих поверхностей по степени загрязнения;
получены характеристики сил крипа, распределения нормальной нагрузки по колесным парам и угловых ускорений колесных пар в режиме трогания с места и разгона тепловоза при росте коэффициента сцепления по нескольким законам.
Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечена:
сравнением полученных результатов с имеющимися в литературе данными;
проверкой разработанной математической модели тепловоза с системой повышения тяговых качеств путем сопоставления результатов, полученных на основании разных моделей расчета сил крипа;
критическим обсуждением результатов работы на научно-технических, в том числе международных, конференциях.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
разработан и создан научно-исследовательский натурный стенд, позволяющий проводить эксперименты, направленные на изучение процессов сцепления колеса локомотива с рельсом, и обеспеченный патентной защитой;
полученные математические модели коэффициента сцепления позволяют прогнозировать на этапе проектирования тяговые качества локомотивов при прохождении электрического тока через зоны контакта колес с рельсами;
сформулированные в работе основные технические требования могут быть полезны при разработке систем повышения тяговых свойств локомотивов, основанных на подаче электрического тока в зоны контакта колес с рельсами;
оборудование тепловозов с электропередачей системой повышения тяговых качеств, предложенной в работе, позволит значительно увеличить их эксплуатационную эффективность.
Реализация результатов работы. Проведены натурные испытания грузового магистрального тепловоза 2ТЭ10У, оборудованного макетной системой повышения тяговых качеств тепловоза, на базе ремонтного локомотивного депо Брянск-Льговский, показавшие эффективность предлагаемой системы.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
64-я студенческая научная конференция БГТУ 2009;
Международный молодежный форум «Инновации 2010. Современное состояние и перспективы развития инновационной экономики», Брянск, 2010 г.;
VI международный симпозиум по трибофатике, Республика Беларусь, Минск, 2010 г.;
III конференция «Энергосбережение и ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте - инвестиции в будущее», Москва, 1 декабря 2010 г.;
Международная конференция молодых ученых Transcom 2011, Словакия, Жилина, 2011 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 работ в изданиях ВАК и 1 патент РФ на изобретение RU №2469287.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы из 146 наименований. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, включая 54 рисунков и 25 таблиц.
