Наукові основи підвищення ефективності гальмування поліпшенням умов взаємодії коліс з гальмівними колодками і рейками (стр. 3 из 10)

Основними з множини факторів є контактні напруження, відносне ковзання (проковзування, крип) і тертя, що виникають при взаємодії колеса з рейкою та гальмівними колодками. Основою для вирішення прикладних контактних задач взаємодії колеса з рейкою є класичні методи теорії пружності і механіки твердого тіла, спроможного до деформування. Поверхня катання колеса взаємодіє з рейкою та гальмівними колодками і є загальною поверхнею тертя, що й спричиняє взаємовплив елементів системи "гальмівна колодка - колесо - рейка" на їхню зносостійкість і термін служби (рис. 1).Особливо це проявляється в процесі гальмування, коли поверхня катання колеса має контактну взаємодію з рейкою і фрикційне - з гальмівними колодками, при цьому теплові потоки від роботи сил тертя розігрівають контактну поверхню колеса до 400...1000°С, що сприяє інтенсивному зношуванню елементів системи й утворенню після остигання термічних мікротріщин на ободі, котре є наслідком нерівномірності температурного поля на поверхні і усередині матеріалу колеса при значній термонапруженості.

При математичному моделюванні руху локомотива у виді просторової механічної коливальної системи з багатьма степенями вільності збурюючий вплив від колії прийнято задавати у виді функцій переміщення у вертикальній і горизонтальній площинах, які визначаються незалежно і можуть задаватися детермінованими або стохастичними. Найчастіше випадкові збурення задаються методом пропускання «білого шуму» крізь лінійний фільтр.

При високих швидкостях руху необхідно враховувати систематичні збурення в системі “колесо – рейка” від дії плавних ізольованих нерівностей (катана вибоїна), повзунів і безперервних плавних нерівностей на поверхні катання (некруглостей коліс), які виникають при нерівномірному прокатуванні по колу колеса і його ограновуванню при гальмуванні. Із зростанням прокатування збільшуються прослизання, сили крипу і рівень динамічних сил в зоні контактної взаємодії колеса з рейкою, особливо в кривих ділянках колії. При цьому величина контактного напруження перевищує пороговий рівень, що підвищує вірогідність виникнення втомних руйнувань, сприяє інтенсивному зношуванню і скороченню терміну служби коліс і рейок. З цієї причини швидкісні залізниці – Cartier в Канаді і Spoornet в ПАР – ввели як критерій вилучення коліс з експлуатації глибину прокату 2 мм.

Класичні роботи з теорії пружності, дослідження взаємодії рухомого складу і колії, зчеплення колеса з рейкою, контактних задач і процесів гальмування отримали значний розвиток в роботах А.І. Бєляєва, М.М. Бєляєва, І.В. Бірюкова, Є.П. Блохіна, М.Ф. Веріго, Л.О. Вуколова, Л.О. Галіна, О.Л. Голубенка, І.Г. Горячевої, В.М. Данілова, Ю.В. Дьоміна, А.С. Євстратова, О.П. Єршкова, В.М. Іванова, В.Г. Іноземцева, І.П. Ісаєва, О.Ю. Ішлінського, В.М. Казарінова, О.Я. Когана, О.М. Коняєва, К.П. Корольова, М.Л. Коротенка, С.М. Куценка, В.А. Лазаряна, Д.П. Маркова, В.Г. Маслієва, В.Б. Меделя, М.І. Мусхелішвілі, Ю.І. Осеніна, А.П. Павленка, Д.Ю. Погорєлова, Е.Д. Тартаковського, Т.А. Тібілова, С.П. Тимошенка, В.Ф. Ушкалова, І.І. Челнокова, В.М. Шестакова, І.Я. Штаєрмана та ін., а також в роботах зарубіжних дослідників Буссинеська (Boussinesq J.), Герца (Hertz H.), Грінвуда (Greenwood J.A), Гудьєра (Goodier J.N), Джонсона (Johnson K.L.), Калкера (Kalker J.J.), Картера (Carter F.W.), Каттанео (Cattaneo C.), Кноте (Knothe K.), Креттека (Krettek O.), Лява (Love A.E.H.), Ляме (Lamе G.), Міндліна (Mindlin R.D.), Черруті (Cerruti V.) та ін.

У більшості робіт, присвячених дослідженню процесу зношування коліс і рейок, розглядається тільки пара тертя колесо-рейка і не враховується вплив іншої пари тертя – гальмівна колодка-колесо. Неправомірність такого підходу виходить з експлуатаційних спостережень, які показують, що гальмівні колодки значно впливають на інтенсивність зношування коліс і рейок. Металокерамічні гальмівні колодки мають більш високий коефіцієнт тертя, а відповідно і ефективність гальмування, але зумовлюють значно більше зношування коліс і внаслідок впливу останніх (у здеформованому стані) - підвищене зношення рейок. Таким чином, при оптимізації твердості матеріалів у системі “колесо - рейка” необхідно враховувати не тільки осьове навантаження, радіуси кривих ділянок колії і конструкцію гальмівної системи, але й вплив гальмівних колодок.

Колодкові гальма при початковій швидкості гальмування понад 140 км/год не забезпечують необхідної ефективності через недостатню гальмівну потужність, що обмежується руйнуючим термічним впливом на поверхню катання коліс і гальмівних колодок. Тривале або екстрене гальмування композиційними колодками з низькою теплопровідністю призводить до локального перегріву контактних поверхонь, при цьому утворюються напливи металу і відбуваються необоротні структурні перетворення їхнього зв’язуючого - смоли або каучуку, а при подальших гальмуваннях внаслідок цього на поверхні катання колеса утворюються подряпини, задири і термотріщини.

Для підвищення ефективності гальмування та зменшення термічного впливу на поверхню катання колеса необхідні принципово нові фрикційні матеріали – одночасно більш термостійкі і більш теплопровідні, застосування яких дозволило б істотно підвищити реалізовану гальмівну потужність на осі при безумовному дотриманні умов безпеки руху і нормативних вимог.

Збільшення терміну служби коліс і рейок завдяки лубрикації, а також оптимізація твердості матеріалів до НВ 370...400 уже показали високу ефективність, однак не вважаються вичерпними й достатніми, тому що підвищене зношування бічної грані рейок і гребенів коліс зумовлене значним горизонтальним тиском коліс на рейки, тобто напрявляючим зусиллям і кутом набігання коліс, а також збільшеною тривалістю взаємодії гребенів коліс із рейками при русі в кривих, а також і на прямих ділянках шляху.

При підвищеному моменті тертя в опорних пристроях кузова на візки зростання інтенсивності зношування бічної грані рейок і гребенів коліс сягає рівня 45%, що зумовлено збільшенням направляючого зусилля в зоні контакту гребеня колеса з рейкою при вписуванні візкових екіпажів у криві ділянки і наступному русі з перекосом у прямих ділянках шляху. Аналіз указує на необхідність удосконалення конструкції візкових екіпажів і експлуатаційних характеристик вузлів тертя в зчленуванні кузова й візків не тільки з метою зменшення зношування, але й для підвищення зчеплення коліс із рейками завдяки поліпшенню умов їхньої взаємодії зменшенням перекошування.

На підставі досвіду експлуатації рухомого складу і аналізу літературних джерел з досліджуваної проблеми було визначено мету і завдання цієї роботи.

У другому розділі розглядаються двовимірні і просторові динамічні контактні задачі взаємодії колеса з пружною ізотропною рейкою, наведено механічну і математичну постановку задач і здійснене строге виведення інтегральних рівнянь з урахуванням принципу граничного поглинання. Досліджуються сталі режими вертикальних і кутових коливань колеса при взаємодії з пружною рейкою під дією гармонійного у часі ф навантаження

.

Задачі формулюються таким чином, що одна з компонент напруження приймається такою, що дорівнює нулю на всій межі рейки. Виведення інтегрального рівняння для опису вертикальних коливань з використанням принципу граничного поглинання ґрунтується на розв'язку рівнянь Ляме. В цьому випадку збурена крайова задача набуває виду:

Використання принципу граничного поглинання і інтегрального перетворення Фур’є по змінній

приводить задачі до розв'язку інтегрального рівняння щодо амплітудного значення невідомого нормального контактного напруження у виді:

Задачу руху колеса з постійною швидкістю по пружній рейці товщиною

приведено до розв'язку динамічних рівнянь Ляме (1). Використовуючи інтегральне перетворення Фур'є для визначення контактних напружень , отримане інтегральне рівняння в безрозмірних змінних:

Ядро інтегрального рівняння (6) містить два безрозмірних параметри й, що входять у коефіцієнти

, котрі характеризують товщину рейки і швидкість руху колеса.

Динамічна контактна задача щодо руху клина в пружному шарі, розвиток тріщини в рейці, приведена до розв'язку рівняння у виді:

Просторова динамічна контактна задача щодо вертикальних коливань колеса при довільній області контакту із пружним півпростором і дією гармонійного збурювання розглядається в припущенні, що в зоні контакту

відсутні сили тертя і відрив колеса від рейки. Півпростір і колесо віднесені до прямокутної системи координат , поверхня контакту колеса з півпростором, що займає зону , знаходиться у площині . Застосувавши до рівнянь Ляме дворазове перетворення Фур'є, отримуємо двовимірне інтегральне рівняння першого роду (8) з нерегулярним різницевим ядром (9) щодо амплітудного значення нормального контактного напруження у виді: