СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
імені ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ
Старченко Валерій Миколайович
УДК 629.4.027:625.1.03:621.891
Наукові основи підвищення ефективності
гальмування поліпшенням умов взаємодії коліс
згальмівними колодками і рейками
05.22.07 - Рухомий склад залізниць і тяга поїздів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Луганськ - 2008
Дисертація є рукописом.
Роботу виконано в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.
Науковий консультант:
доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки й техніки України Голубенко Олександр Леонідович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, ректор
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Коротенко Михайло Леонідович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка Всеволода Лазаряна, професор кафедри «Теоретична механіка»;
доктор технічних наук, професор Маслієв В'ячеслав Георгійович, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», професор кафедри «Електричний транспорт і тепловозобудування»;
доктор технічних наук, професор Головінов Геннадій Георгійович, Академія митної служби України, начальник кафедри «Транспортні системи і технології в митній справі»
Захист відбудеться 26 травня 2008 р. о 10 00 на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 29.051.03 Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою:91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, СНУ ім. В. Даля, корп. 1.
З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці університету за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, СНУ ім. В. Даля.
Автореферат розіслано 25 квітня 2008 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Ю.І. Осенін
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Вступ. Залізниці України є базовою галуззю економіки країни й основою її транспортної системи. Експлуатаційна довжина мережі залізниць становить понад 22 тис. км і за вантажонапруженістю перевищує показники розвинених європейських країн.
Загальною тенденцією розвитку залізничного транспорту є підвищення осьової потужності тягового рухомого складу і збільшення швидкості руху. У минулому році електропоїзд серії TGV (Франція) показав рекордну швидкість– 574,8 км/год, а технічно реальною та економічно виправданою нині прийнято максимальну швидкість руху в 350 км/год. Рух потягів в Україні здійснюється з максимальною швидкістю 160 км/год і до 2012 року заплановане її підвищення до 200 км/год. В основному обмеження швидкісного режиму обумовлено вимогами безпеки руху, проблемами гальмування та взаємодією швидкісного рухомого складу і колії.
У процесі експлуатації поверхні катання й гребені ходових коліс взаємодіють із рейками, а у випадку колодкового гальмування - і з колодками на гальмівних осях. Внаслідок цього обидві пари тертя взаємно впливають на процес зношування коліс і рейок, на формування контактної зони між ними й рівень контактних напружень, що виникають, і, отже, на сили зчеплення, що визначають величину тягових і гальмівних зусиль рухомого складу.
Для підвищення ефективності гальмування рейкового рухомого складу необхідно створити гальмівними пристроями достатню гальмівну потужність і забезпечити стійке зчеплення коліс із рейками.
Актуальність теми. У швидкісних потягах для виконання нормативних вимог з довжини гальмівного шляху, часу гальмування й припустимому уповільненню додатково застосовуються магнітнорейкові та вихрострумові гальмівні системи, що не використовують зчеплення коліс із рейками, оскільки електродинамічні й механічні (фрикційні) пристрої мають обмеження по зчепленню й недостатню гальмівну потужність.
У той же час за умовами безпеки при службовому, повному і екстреному гальмуванні механічні гальма є незамінною гальмівною системою. Гранична гальмівна потужність колодкових і дискових гальм не перевищує відповідно 650 кВт і 800 кВт на одну колісну пару, що обумовлено зростанням руйнуючого термічного впливу на контактні поверхні коліс або дисків, а також на матеріал гальмівних колодок або накладок.
Підвищення ефективності механічних гальмівних систем рухомого складу (колодкових і дискових) можливе застосуванням нових фрикційних матеріалів і збільшенням зчеплення завдяки поліпшенню умов взаємодії коліс із рейками.
За останні 15 років ресурс вагонних коліс із 12 скоротився до 4...5 років, змінюваність рейок по бічному зношуванню головки виросла в 2...3 рази, а інтенсивність зношування гребенів досягла 0,5.. .2,5 мм на 10 тис. км пробігу. Істотний прямий і опосередкований вплив на зменшення ресурсу коліс і рейок справляють гальмівні колодки, а часта взаємна змінюваність – робота нових колодок зі зношеним профілем коліс і численні переточування бандажів через підріз гребенів - погіршують ситуацію. Витрати по утриманню рухомого складу й колії постійно збільшуються, а науково-технічна проблема додатково набуває економічного характеру.
Для прийняття обґрунтованих технічних рішень, що дозволили б поліпшити існуючий стан речей, необхідні поглиблені наукові дослідження з розробкою теоретичних положень і математичних моделей контактної, фрикційної й динамічної взаємодії для системи “гальмівна колодка - колесо - рейка“.
У зв'язку з цим підвищення ефективності гальмування рейкового рухомого складу застосуванням принципово нових фрикційних матеріалів для гальмівних колодок і поліпшенням умов взаємодії коліс із рейками є актуальною науковою проблемою, що має велике значення для розвитку й удосконалення залізничного транспорту.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дослідження, виконані в дисертаційній роботі, проводилися згідно з "Державною науково-технічною програмою розвитку залізничного транспорту України", "Програмою розвитку залізничного транспорту на 2005...2010 роки ", планом нової техніки Транспортної академії України і Укрзалізниці, планом нової техніки ВАТ “ХК “Луганськтепловоз” - тема ДО2004-01 "Науково-технічне обґрунтування вдосконалення ходових частин рухомого складу залізниць у 2004…2005 рр.", держбюджетних і господарських НДР згідно з темами: "Наукові основи, концепція й теорія створення перспективних конструкцій транспорту з поліпшеними енергетичними та екологічними характеристиками", "Наукове обґрунтування, виготовлення та випробування дослідних вузлів і деталей, виготовлених з композиційних матеріалів на основі вуглецю, для опорних і гальмівних пристроїв тепловоза ТЕП 150 і рухомого складу" (тема Т-133-05, № держ. per. 0105U006925).
Мета і завдання дослідження. Підвищення ефективності гальмування рейкового рухомого складу поліпшенням умов взаємодії коліс із гальмівними колодками і рейками при зменшенні інтенсивності зношування контактних поверхонь і збільшенні терміну служби.
Для реалізації поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:
- удосконалити математичну модель динамічної контактної взаємодії колеса з рейкою, установити залежності для оцінки і уточнення рівня та характеру розподілу контактних напружень;
- удосконалити математичну модель взаємодії рухомого складу і колії, установити домінантні фактори і їхній вплив на рівень динамічних сил для визначення напрямку і раціональних параметрів конструктивного вдосконалення візкових рейкових екіпажів,
- розробити теоретичні основи, методику розрахунку, компонентний склад, структуру та конструктивне виконання гальмівних С-С колодок на основі вуглець - вуглецевих волокон з піровуглецевою матрицею для підвищення ефективності механічних гальмівних систем і зменшення термічного впливу на поверхню катання коліс;
- виконати комплексні експериментальні дослідження нових гальмівних С-С колодок і встановити закономірності впливу на їхні фрикційні характеристики якісного, кількісного і фракційного вмісту різних компонентів та модифікаторів тертя;
- встановити експлуатаційні характеристики і закономірності впливу на величину та стабільність коефіцієнта тертя питомого навантаження, швидкості ковзання та температури на контактній поверхні тертя;
- розробити математичну модель нестаціонарного теплового процесу колодкового гальмування, встановити закономірності впливу різних компонентів на теплопровідність і ефективність гальмівних С-С колодок щодо зниження температурної напруженості;
- розробити компонентний склад, структуру, технологічні схеми виготовлення і провести комплексні випробування натурних зразків антифрикційних самозмащувальних композиційних матеріалів на основі капролону з низьким і стабільним коефіцієнтом тертя для опорних пристроїв кузова на візки рухомого складу;
- створити експериментальні установки з вимірювальними комплексами та програмним забезпеченням для перевірки результатів теоретичних досліджень і відповідності математичних моделей реальним процесам взаємодії коліс з гальмівними колодками й рейками.
Об'єкт дослідження: процеси контактної, динамічної і фрикційної взаємодії коліс з гальмівними колодками та рейками.
Предмет дослідження: закономірності взаємодії коліс з гальмівними колодками і рейками під впливом конструктивних, технологічних, матеріалознавських та експлуатаційних факторів.
Методи дослідження. У теоретичній частині роботи використано основні положення класичної теорії пружності, механіки контактної взаємодії і механіки твердого тіла, спроможного до деформування, математичні методи розв'язку інтегральних рівнянь динамічних змішаних задач теорії пружності, математичне моделювання процесу руху потягу і чисельні методи розв'язку диференціальних рівнянь.