Повышение ресурса колесных пар грузовых вагонов и рельсов путем улучшения условий их взаимодействия и динамического мониторинга Александров, Анатолий Александрович

Введение к работе

Актуальность работы.

Ресурс колес грузовых вагонов и рельсов лимитируется в основном величиной износа гребня колеса грузового вагона и боковой поверхности головки рельса. Уже более десятилетия для снижения интенсивности изнашивания в контакте «гребень колеса – боковая поверхность головки рельса» применяется лубрикация. Однако уровень эксплуатационных затрат, связанный со сверхнормативным износом колес и рельсов, остается ещё достаточно высоким. Ежегодно выделяется около четырех млрд рублей на предупреждение и устранение последствий износа в контакте «гребень колеса – боковая поверхность головки рельса».

Эксплуатационной практикой на отечественных и зарубежных железных дорогах неоднократно доказано, что лубрикация уменьшает износ колес и рельсов в 8-15 раз и повышает их ресурс. Однако отсутствие эффективных систем мониторинга гребне- и рельсосмазывания снижает эффективность применения лубрикации, т.к. не обеспечивается достаточный контроль наличия или отсутствия смазочного материала на боковой поверхности головки рельсов и гребнях колес подвижного состава. Вследствие этого ресурс колес грузовых вагонов вместе с обточками и другими мероприятиями по его повышению не достигает рекомендуемых 600 тыс. км, а ресурс рельсов в кривых участках пути – 0,5 млрд. ткм брутто.

Данная работа посвящена разработке системы контроля состояния контакта «гребень колеса – боковая поверхность головки рельса», в частности мониторингу наличия смазочного материала в контакте, его остаточного ресурса разового нанесения и критических режимов взаимодействия при схватывании.

Цель данной работы – повышение ресурса колесных пар грузовых вагонов и рельсов путем улучшения условий их взаимодействия на базе методики динамического мониторинга контакта «гребень колеса грузового вагона – боковая поверхность головки рельса».

В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие теоретические и практические задачи:

1) создана физико-математическая модель (ФММ) фрикционной системы «путь – грузовой полувагон» и её подсистемы фрикционный контакт «гребень колеса грузового полувагона – боковая поверхность головки рельса», на основе которых получены параметры механической фрикционной системы экспериментальной установки;

2) предложена методика экспериментальной триботермодинамики, позволяющая исследовать объемную температуру в контакте «гребень колеса – боковая поверхность головки рельса»;

3) на базе выполненных исследований и на основе созданной ФММ системы «путь - грузовой полувагон» разработаны рекомендации по улучшению условий взаимодействия в контакте «гребень колеса грузового вагона – боковая поверхность головки рельса»;

4) разработана методика динамического мониторинга контакта «гребень колеса – боковая поверхность головки рельса», которая позволяет в динамике идентифицировать состояние трибоконтакта и прогнозировать его изменение применительно для грузовых полувагонов;

5) получены трибоспектры, соответствующие режимам взаимодействия гребней колес с рельсами при наличии смазочного материала и при протекании процессов схватывания, вследствие отсутствия смазочного материала при варьировании нагрузочно-скоростных режимов применительно к грузовому полувагону.

Объект исследования: транспортная трибосистема на примере грузового полувагона.

Предмет исследования: контакт «гребень колеса грузового полувагона – боковая поверхность головки рельса».

Методика исследования. Основу работы составляют методы физико-математического моделирования фрикционных механических систем, трибоспектральная идентификация процессов трения и экспериментальная триботермодинамика.

Научная новизна:

По специальности «Трение и износ в машинах»-(05.02.04):

1. Разработана физико-математическая модель системы «путь – грузовой полувагон» и её подсистема «гребень колеса грузового полувагона – боковая поверхность головки рельса», на основе которых получены параметры для мониторинга наличия смазочного материала в контакте, его остаточного ресурса разового нанесения и идентификации катастрофического режима изнашивания при схватывании;

2. Предложена методика экспериментальной триботермодинамики, позволяющая исследовать объемную температуру в контакте «гребень колеса грузового полувагона – боковая поверхность головки рельса»;

3. Разработан критерий подобия триботермодинамики фрикционного взаимодействия, обеспечивающий идентичность процессов изнашивания поверхностей на натурном и модельном объектах.

По специальности «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация» - (05.22.07):

1. Разработана методика динамического мониторинга контакта «гребень колеса грузового полувагона – боковая поверхность головки рельса», позволяющая повысить ресурс гребней колес грузовых полувагонов и рельсов.

2. На основе метода трибоспектральной идентификации (ТСИ) процессов трения для методики динамического мониторинга сформирована база трибоспектральных параметров, характеризующих наличие или отсутствие смазочного материала в контакте, а также критическое состояние фрикционного контакта «гребень колеса грузового вагона – боковая поверхность головки рельса» при схватывании и позволяющих диагностировать техническое состояние подвижного состава.

Практическая ценность:

По специальности «Трение и износ в машинах»-(05.02.04):

1. На базе ФММ выполнено исследование влияния параметров рельсовой колеи и радиуса кривых при различных осевых нагрузках и скоростях движения на интенсивность изнашивания гребней колес грузовых полувагонов и рельсов в кривых и разработан комплекс рекомендаций для улучшения условий взаимодействия колес грузовых вагонов и рельсов;

2. На базе метода ТСИ процессов трения разработана система динамического мониторинга контакта «гребень колеса грузового полувагона – боковая поверхность головки рельса», позволяющая идентифицировать наличие или отсутствие смазочного материла в контакте, режимы контактирования при схватывании, а также выполнять диагностику технического состояния подвижного состава;

По специальности «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация» - (05.22.07):

2. 1. 1. 1. В лабораторных условиях определены идентификационные параметры, характерные для условий взаимодействия гребней колес грузовых полувагонов с рельсами при наличии и отсутствии смазочного материала, а так же для режимов при схватывании;

         2. На основе экспериментальных исследований и обследований кривых участков пути с различными радиусами, типами скреплений и грузонапряженностью разработан комплекс рекомендаций для улучшения условий взаимодействия грузового нетягового подвижного состава и пути: номинальная унифицированная ширина рельсовой колеи 1520 мм; для улучшения условий вписывания грузовых вагонов в кривых радиусом 350-650 м ширина колеи должна быть 1525 мм; уменьшение избыточного возвышение наружного рельса в кривых.

         Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту:

         1. Физико-математическая модель «путь – грузовой полувагон» и ее подсистема фрикционный контакт «гребень колеса грузового вагона – боковая поверхность головки рельса» при вписывании грузового полувагона в криволинейный участок пути;

         2. Система динамического мониторинга контакта «гребень колеса грузового полувагона – боковая поверхность головки рельса», позволяющая идентифицировать наличие и отсутствие смазочного материала в контакте, его остаточный ресурс, а также выполнять косвенно диагностику технического состояния подвижного состава;

         3. Методика экспериментальной триботермодинамики, позволяющая рассчитать максимальную объемную температуру в контакте гребня колеса с боковой поверхностью головки рельса на поверхности и на вершинах микронеровностей;

         4. Усовершенствован способ исследования динамики формирования фактической площади касания на основе метода электропроводимости.

         Реализация работы: материалы, представленные в диссертационной работе, являются составной частью НИОКР «Оптимизация ширины рельсовой колеи» (2008 г.) и НИОКР «Технико-экономическое обоснование нормативов рельсовой колеи и ходовых частей подвижного состава по критериям износов и безопасности» (2009 г.). Выводы и рекомендации, полученные в ходе данных работ, частично включены в Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации от 21.12.2010г. № 286. Федеральная целевая программа «Разработка наноструктурированного смазочного материала для открытых тяжелонагруженных узлов трения» (гос. контракт №16.740.11.0024 на выполнение научно-исследовательских работ от 01.09.2010г.).

         Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на всероссийских научно-практических конференциях «Транспорт-2007», «Транспорт-2008», «Транспорт-2009», «Транспорт-2010» (Ростов-на-Дону), на V Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (СамГУПС, Самара, 2009 г.), «Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники» (СКНЦ ВШ, Ростов-на-Дону, 2009 г.), на заседаниях кафедры «Транспортные машины и триботехника» РГУПС в 2007-2011 гг., на научно-технической конференции, посвященной 120-летию выдающегося триболога М.М. Хрущева «Трибология и машиностроение» (г. Москва, 2010г.).

         Публикации: по теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, утвержденных ВАК, 3 патента на изобретение РФ.

         Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, заключения, списка литературы из 121 наименования. Диссертация изложена на 150 страницах, содержит 27 рисунка, 10 таблиц и 6 приложений.

         Похожие диссертации на Повышение ресурса колесных пар грузовых вагонов и рельсов путем улучшения условий их взаимодействия и динамического мониторинга

         

         Повышение ресурса трибосистем с полимерным композиционным покрытием технологическими методамиРядченко Юлия Викторовна

         Повышение надежности и ресурса пневматической рессоры подвески боевых десантных машинЛеонтьев, Анатолий Николаевич

         

         Повышение коэффициента сцепления колес тягового подвижного состава с рельсами путем применения активизаторов тренияМогилевский Виктор Анатольевич

         

         Повышение величины и стабильности коэффициента сцепления колес локомотива с рельсами путем применения модификаторов трения : На примере электровоза ВЛ-80Лубягов Александр Михайлович

         

         Повышение эффективности активизаторов сцепления путем улучшения их адгезионных характеристикКикичев Шамиль Владимирович

         Влияние условий взаимодействия колеса и рельса на фрикционные процессы в зоне контактаФлячинский, Константин Павлович

         

         Разработка метода расчета фрикционных характеристик в условиях контактного взаимодействия при больших нагрузкахУдалов Сергей Владимирович

         

         Трение при контактном взаимодействии поверхностей в условиях гидростатического давленияСтрельников, Юрий Алексеевич

         

         Повышение ресурса плунжерных пар топливного насоса высокого давления тракторных дизелей применением смесевого минерально-растительного топливаБыченин Александр Павлович

         Восстановление профиля катания и повышения ресурса колесных пар подвижного составаВласов, Сергей Александрович