Наукові основи підвищення ефективності гальмування поліпшенням умов взаємодії коліс з гальмівними колодками і рейками (стр. 6 из 10)

Розрахунки, експериментальні дослідження і пробні поїздки свідчать, що нові С-С колодки істотно підвищують ефективність процесу гальмування рейкового рухомого состава й одночасно справляють менш руйнівну механічну і термічну дію на поверхню катання коліс на гальмівних осях.

У шостому розділі наведено результати експериментальних досліджень теплофізичних параметрів гальмівних C-C колодок з різними схемами зміцнюючих каркасів для рейкового рухомого складу, визначено основні закономірності виділення теплоти і представлено постановку та результати чисельного вирішення нестаціонарної теплової задачі теплопровідності для системи “гальмівні колодки – колесо – рейка”.

У зв'язку зі складністю теоретичного опису механізму інтегральної теплової провідності в середовищі - композиті для визначення теплопровідності використовувалися емпіричні методи. На спеціальній стендовій установці випробуванням піддавалися дослідні зразки матеріалу С-С колодок, а в якості еталонного було використано чавунний зразок з відомою теплопровідністю.

Для оцінки впливу на теплопровідність С-С композитів різних наповнювачів всі дослідні зразки виготовлялися на основі вуглецевої тканини і піровуглецю, а як модифікатор до складу №1 було включено мідний дріт, до складу №2 - карбід бору, до складу №3 - бор аморфний.

Емпіричні залежності впливу якісного складу компонентів і їхнього процентного вмісту по масі на коефіцієнт теплопровідності С-С колодок отримано методом математичного планування експерименту. Характер зміни величини коефіцієнта теплопровідності від домінантних факторів (рис. 8) і емпіричні залежності мають вид:

Погрішність апроксимації становить не більше ± 6,5% при довірчій імовірності

.

Встановлено, що для складу №1 коефіцієнт теплопровідності в досліджених діапазонах факторів впливу монотонно зростав від 34,3 до 45,6 Вт/(мМК).

Для складу №2 коефіцієнт теплопровідності менше і діапазон зміни становив 22...36 Вт/(мМК), що пояснюється відсутністю мідного компонента. Склад №3 характеризується найбільш складним механізмом теплової провідності, однак забезпечує високе середньотемпературне значення коефіцієнта теплопровідності – 34 Вт/(мМК).

Слід зазначити, що високу теплопровідність – 35...55 Вт/(мМК) мають серійні чавунні гальмові колодки, а з підвищеним вмістом фосфору і колодки типу Samson (P30) – 21...28 Вт/(мМК); композиційні колодки виробництва «ФРИТЕКС» типу ТIIР характеризуються величиною 0,8...3,3Вт/(мМК). Згідно із зарубіжними джерелами, композиційні і металокерамічні колодки мають цей показник на рівні 1,3 і 7,5 Вт/(мМК).

Отже, нові С-С колодки з величини коефіцієнта теплопровідності незначно поступаються чавунним і мають більш високі показники в порівнянні з іншими фрикційними матеріалами.

В основі моделювання нестаціонарних теплових процесів у твердих тілах лежить рівняння нестаціонарної теплопровідності. Для сплощених тіл, а такими прийняті ходові колеса, відповідне рівняння має вид:

Гранична умова другого роду в зоні контакту колеса з рейкою, а також на поверхні контакту колеса з колодкою задавалася у виді густини нестаціонарного теплового потоку

Тепловий потік у плямі контакту визначався з умови пропорційності теплового потоку, що виділяється в плямі контакту, потужності сил деформації колеса та рейки: Q_к. = е∙Е_1N, а

було прийнято рівним коефіцієнту дисипації механічної енергії при деформації. Роботу сил одиничної деформації Е₀₁ з урахуванням її нестаціонарності було знайдено у виді

У припущенні пропорційності потужності енерговиділення деформації на даному режимі руху обсягу деформованого матеріалу за одиницю часу було отримано розрахункову формулу

Зазначені у виразах (24) і (25) змінні визначені за результатами розв'язку рівнянь динамічної контактної задачі у виді апроксимаційних залежностей.

Тепловий потік при зміні швидкості руху в процесі гальмування визначався інтерполяцією значень функцій, отриманих при реперних значеннях швидкостей V = 40, 80, 120, 160 км/год (при убуванні швидкості до значень, менше 40 км/год відповідно екстраполяцією).

Тепловий потік Q_кк, що надходить від плями контакту в колесо, приймався рівним 0,5Q_к відповідно до рекомендацій проф. О.Л. Голубенка. Тепловий потік у зоні тертя колодки об колесо при гальмуванні задавався для кожної

ої ділянки згідно з виразом

Розподіл потоків теплоти між колесом і колодкою визначався коефіцієнтом

, запропонованим проф. В. Г. Іноземцевим.

Для розв'язку нелінійного диференціального рівняння 2-го порядку (22) використовувався метод кінцевих різниць, при цьому площина колеса у декартових координатах ХУ розбивалася квадратною сіткою (рис. 9). Рівняння (22) для довільної точки (x_i,y_j,ф_k) поверхні колеса (у момент часу ф_k), а також граничні умови (23) приводились до кінцево-різницевого виду. Результати вирішення теплової задачі (графіки та комп’ютерні екранограми) наведено на рис.10 - 12.

Згідно з результатами чисельного розв'язку рівняння (22) із граничними умовами (23) для випадку руху з постійною швидкістю

= 160 км/год і при = 0 °С сталий перегрів поверхні катання коліс локомотива ТЕП 150 відносно атмосферного повітря склав 58 °С, при цьому максимальна температура в зоні контакту з рейкою не перевищувала 240°С. Значення зазначених вище параметрів у режимі гальмування двома колодками із зусиллям натиснення 40 кН становило відповідно: для серійних композиційних колодок 462 °С і 563°С; для стандартних чавунних та з фосфористого чавуну 235 °С і 345°С та 249 °С і 363°С, для дослідних С-С колодок 380 °С и 482°С. При цьому температурна залежність для плями контакту має істотно нестаціонарний характер внаслідок нестаціонарності теплового потоку від гармонійних деформацій.

Найбільший перегрів при гальмуванні було зафіксовано на контактній поверхні тертя “колодка - колесо” (рис. 10 і 11). Цей показник становив для серійних композиційних колодок 796°С; для стандартних чавунних - 325°С, для фосфористого чавуну - 345°С; і для дослідних С-С колодок - 668°С.

Як випливає з аналізу результатів чисельних досліджень, дослідні гальмівні С-С колодки мають перевагу в порівнянні із серійними композиційними колодками з усіх термічних показників, що характеризують протікання теплових процесів у системі «гальмівна колодка-колесо-рейка» і можуть позитивно впливати на елементи вказаної системи (рис. 11, 12). Так, модифіковані С-С колодки дозволяють зменшити температурну напруженість контактного спряження пари тертя “колодка - колесо” на 20% у порівнянні із серійними композиційними гальмівними колодками.

Результати моделювання нестаціонарного теплового процесу підтверджено експериментальними дослідженнями на стендовій установці та добре узгоджуються з даними, наведеними в роботах проф. В.Г. Іноземцева для стандартних чавунних і серійних композиційних колодок.

Встановлені закономірності і математичні моделі дозволяють створювати і використовувати перспективні фрикційні матеріали з високими теплофізичними властивостями, що сприяє значному підвищенню ефективності гальмування рейкового рухомого складу поліпшенням умов взаємодії в системі “гальмівна колодка - колесо - рейка”, збільшенню довговічності і терміну служби як окремих елементів, так і системи у цілому.

Сьомий розділ присвячено поліпшенню експлуатаційних характеристик та властивостей вузлів тертя в зчленуванні кузова і візків екіпажа з метою поліпшення характеристик і умов взаємодії рухомого складу і колії. Зчленування кузова і візків здійснюється за допомогою опорно-повертальних (ОПП) і шкворньових пристроїв. Кінематичні зв'язки дозволяють рамі візка переміщуватись щодо кузова на деяку величину d_max і повертатися на деякий кут

, що сприяє зниженню силової взаємодії колеса і направляючої рейки в контактній зоні. При завищеному значенні моменту тертя в опорних пристроях утрудняється поворот візків щодо кузова в плані при вписуванні в криві, а при русі в прямих ділянках шляху спостерігається рух візків з перекосом. При цьому значно збільшується не тільки силовий вплив екіпажа на колію, але й тривалість взаємодії гребенів коліс із рейкою, що викликає інтенсивне зношування контактних поверхонь.

Аналіз умов роботи ОПП тепловоза ТЕП 150 показав, що основною складовою моменту опору повороту є момент від сил тертя на контактній поверхні “ковзун - полімерна накладка”. Отже, необхідно забезпечити спряження головної пари тертя ОПП з досить низьким і стабільним коефіцієнтом тертя, раціональна величина якого за результатами моделювання руху екіпажа тепловоза ТЕП 150 встановлена в діапазоні 0,05...0,07, що підтверджено поїзними випробуваннями тепловоза 2ТЕ116.

Використовуючи основні трибологічні принципи і ґрунтуючись на сучасних полімерах, розроблено технологічні схеми та способи виготовлення самозмащувальних матеріалів на основі капролону з наповнювачами у виді мінерального масла, дисульфід молібдену й лускатого графіту.

Для експериментальних досліджень на стендовій установці, що імітує експлуатаційні умови за величиною і частотою прикладення вертикального і горизонтального навантажень, а також швидкості ковзання, були виготовлені натурні дослідні зразки з таких матеріалів: фторопласт-4, триболіт на основі вуглецевої тканини ВТФ, триболіт на основі бавовняної тканини БТФ, С-С композити з піровуглецевою матрицею, капролон В «У» маслонаповнений і графітонаповнений (табл. 2).