Методика определения объемных температурных полей и их градиентов трибосопряжения "колесо – тормозная колодка"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Методика определения объемных температурных полей и их градиентов трибосопряжения «колесо - тормозная колодка»

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Необходимость снижения эксплуатационных расходов в условиях конкуренции на рынке транспортных услуг выдвигает требования по организации системы технического обслуживания и ремонта подвижного состава, исходя из фактического состояния его работающих узлов.

Для определения фактического состояния работающих элементов подвижного состава требуется постоянный мониторинг его технического состояния, особенно за узлами, ответственными за безопасность движения поездов. Одним из таких элементов подвижного состава является трибосопряжение «колесо - тормозная колодка». получение информации о техническом состоянии трибосопряжения «колесо - тормозная колодка» - необходимое условие организации его обслуживания и ремонта по фактическому состоянию.

В основе работы современных интегрированных систем дистанционного мониторинга технического состояния подвижного состава лежит информация о температурном поле и его градиентах, получаемых в виде инфракрасного излучения его работающих элементов. Отметим, что одним из основных элементов, отвечающих за безопасность движения поездов, является трибосопряжение «колесо - тормозная колодка».

Сложный характер полученных температурных полей не позволяет распознать причины возникновения тепловых аномалий, наблюдаемых в колесной паре в эксплуатации. Это требует разработки адекватных математических и физических моделей процессов, характеризующих различного рода взаимодействия составных частей системы друг с другом, на основании которых образуется температурная структура колеса в трибосопряжении «колесо - тормозная колодка».

Поэтому создание лабораторного комплекса и методики исследования объемных температурных полей и их градиентов трибосопряжения «колесо - тормозная колодка», позволяющее распознавать их температурные аномалии, возникающие в реальных элементах подвижного состава в эксплуатации, является задачей актуальной.

Целью работы является разработка и создание лабораторного комплекса, моделирующего колесные трибосопряжения, и методики проведения трибологических испытаний на нем, с использованием в качестве чувствительного элемента температурного поля колеса.

Основные задачи, которые необходимо было решить:

1. Провести физическое моделирование процесса формирования объемного температурного поля трибосопряжения «колесо - тормозная колодка».

2. Разработать лабораторный комплекс для проведения исследований процесса формирования объемного температурного поля цилиндрического тела, моделирующего трибосопряжение «колесо - тормозная колодка».

3. Разработать методику проведения испытаний и интерпретации полученных на модели экспериментальных данных.

4. Построить градуировочную характеристику комплекса на основе математического моделирования объемного температурного поля цилиндрического тела в трибосопряжении «колесо - тормозная колодка».

Основным объектом исследования является работающее трибосопряжение «колесо - тормозная колодка».

Предмет исследования - методы моделирования температурных полей и их градиентов трибосопряжения «колесо - тормозная колодка» с целью распознавания процессов, происходящих в реальном колесе в эксплуатации.

Методика исследования. Методологической основой проведенных исследований послужили работы: А.В. Чичинадзе, Ю.А. Евдокимова, Э.Д. Брауна, Л.М. Пыжевича, И.В. Крагельского, В.И. Хрулева, М.М. Хрущова, В.С. Щедрова, Г.И. Трояновской, Л.В. Янковской, М.С. Уротадзе, Н.П. Старостина, В.Г. Иноземцева, В.И. Колесникова, В.М. Алексенко, П.Д. Насельского, М Хебды, Р. Смита, Д. Тичи, Б.И. Огаркова, С.П. Кухаренко, А.Д. Крюкова, Дж.А. Фазекаса, Х. Блока, Р. Хольма и других.

При решении поставленных задач использованы методы математической физики, методы регистрации излучений электромагнитного спектра, методы математической статистики, методы решения задач на ЭВМ, методы физико-химической механики трения и износа, методы математического и физического моделирования.

Экспериментальные исследования выполнены на лабораторных стендах и технологическом оборудовании Ростовского государственного университета путей сообщения, инженерного центра «Сплав», вагонного депо ст. Ростов, СКЖД.

Научная новизна работы:

1. Выполнено физическое моделирование при условии равенства температурных градиентов. Определены физические и конструкционные параметры элементов, моделирующих железнодорожное колесо и тормозную колодку. Установлены скорости перемещения, нагрузки, время взаимодействия моделируемых трибопар. Показано, что уровни значений температурного поля на модели значительно меньше, чем для реального колеса. Указаны условия охлаждения элементов, моделирующих трибосопряжение «колесо - тормозная колодка». Дан анализ процесса формирования температурного поля моделируемых и реальных трибопар при равенстве их температурных градиентов.

2. Разработана методика проведения испытаний трибосопряжения «колесо - тормозная колодка» и методика интерпретации, полученных на модели, экспериментальных данных для лабораторного комплекса, использующего в качестве дополнительного измерительного элемента ПЗС-матрицу тепловизора высокого разрешения. Определены условия и порядок проведения испытаний модельных трибосопряжений. Даны рекомендации по испытанию различных типов трибосопряжений. Выявлены основные контролируемые факторы при трибологических испытаниях элементов, моделирующих взаимодействие колеса с тормозной колодкой. Установлены метрологические показатели измерительных приборов для проведения трибологических испытаний.

3. Научно обоснована градуировочная характеристика комплекса при моделировании колесных трибосопряжений. Определение градуировочной характеристики комплекса проведено на основе математического моделирования процесса формирования объемного температурного поля трибосопряжений при условии изменения величины слоя фрикционного контакта. Выявлена зависимость изменения слоя фрикционного контакта от времени. Определены параметры мощности внешнего источника нагрева испытываемой трибосистемы. Показано, что градуировочная характеристика комплекса определена параметрами конструкции элементов трибосопряжения (коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость, плотность материала, радиус колеса) и временем взаимодействия трибопары. Установлено, что амплитудные значения градуировочной характеристики зависят от мощности источника тепла. Дан анализ характера изменения объемного температурного поля в зависимости от радиуса и времени. Установлен характер тепловой структуры модели дефектного колеса на основе математического моделирования процесса формирования объемного температурного поля в трибосопряжении «колесо с неравномерным износом поверхности катания - тормозная колодка».

Достоверность результатов подтверждается сопоставимостью результатов теоретических расчетов, лабораторных и эксплуатационных испытаний.

Практическая ценность и реализация результатов заключаются в том, что данные исследования позволяют создать банк данных температурных аномалий трибомодели «колесо - тормозная колодка», вызываемых различными видами дефектов. банк данных эталонов температурных аномалий предназначен для распознавания дефектов трибосистемы «колесо - тормозная колодка» в реальном подвижном составе.

Методы и подходы, разработанные в диссертации, могут быть использованы для создания банка данных температурных аномалий основных трибосопряжений различных тягово-транспортных средств и ряда стационарных машин и систем, а также использованы в исследовательских задачах прочности и трибологии.

Физическая модель позволит показать отличия во взаимодействиях однотипных трибосистем вагонов и локомотивов с учетом влияния собственных механических и энергетических потерь (особенно это важно для узлов электрического привода зубчатых редукторов, моторно-осевых подшипников, контактной сети с пантографом, а также для третьего рельса метрополитена со скользящим башмаком); выявить трибологические особенности, связанные с дискретностью контакта и появлением промежуточных слоев на поверхности трения; определить критические условия перехода от одного явления износа к другому.

Общность физических процессов позволяет на лабораторном комплексе моделировать дополнительные явления, существующие на реальных узлах трения, проводить исследования тепловых режимов, решать вопросы борьбы с «горячими зонами», предотвращать температурные деформации, организовывать интенсивный теплоотвод для различных трибосопряжений машиностроения.

Выносятся на защиту:

· физическая модель процесса формирования объемного температурного поля модели трибосопряжения «колесо - тормозная колодка»;

· методика проведения испытаний трибосопряжения «колесо - тормозная колодка» и методика интерпретации полученных на модели экспериментальных данных для лабораторного комплекса, использующего в качестве дополнительного измерительного элемента ПЗС-матрицу тепловизора высокого разрешения.

Апробация работы. Основные положения работы опубликованы в печати, представлены и одобрены на научно-технических семинарах, конференциях профессорско-преподавательского состава РГУПС в 1998-2001 гг., Международном симпозиуме «О природе трения твердых тел» (БЕЛТРИБ-99) в 1999 г., Международной научно-технической конференции «Дороги-2000» в 2000 г., на семинаре по трению и износу в машинах им. М.М. Хрущева в институте машиноведения им. Благонравова РАН, Москва, 2002 г.

Работа была рассмотрена на объединенном заседании кафедр «Путевые и строительные машины», «Теплоэнергетика на железнодорожном транспорте», «Основы проектирования машин», «Локомотивы и локомотивное хозяйство», «Вагоны и вагонное хозяйство», «Высшая математика -2», «Путь и путевое хозяйство», «Изыскания, проектирование и строительство железных дорог» Ростовского государственного университета путей сообщения (Ростов-на-Дону, 2001 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа содержит введение, 6 глав, выводы, список использованной литературы и приложения. Материал диссертации изложен на 133 машинописных листах, содержит 4 таблицы, 39 рисунков, 101 наименование библиографических источников и 5 приложений на 8 страницах.

Содержание диссертации

тормозной колодка трибосопряжение

Во введении обоснована актуальность проблемы создания методики и лабораторного комплекса для исследования процесса формирования объемного температурного поля цилиндрического тела на модели трибосопряжения «колесо - тормозная колодка», распознавания причин возникновения тепловых аномалий колесной пары в эксплуатации.

В первой главе рассмотрено развитие тепловой проблемы трения, существующие лабораторные комплексы и методики проведения теплофизических испытаний.

Во второй главе представлено физическое моделирование процесса формирования объемного температурного поля модели колеса в трибосопряжении «колесо - тормозная колодка».

Для физического моделирования процесса формирования объемного температурного поля колеса в трибосопряжении «колесо - тормозная колодка» выбрано реальное железнодорожное колесо, которое моделируется цилиндрическим телом, и реальная композиционная тормозная колодка, которая моделируется сегментом. Основным условием моделирования является равенство температурных градиентов на образце и модели .

В результате физического моделирования выяснилось, что: линейные размеры колеса и тормозной колодки на образце больше линейных размеров модели колеса и модели тормозной колодки в 5 раз, т.е., при радиусе реального колеса, равном R_o=0.475 м, радиус модели колеса равен R_м=0.095 м; при толщине обода колеса h_o=0.140 м, толщина обода модели колеса принимает значение h_м=0.028 м; длина и толщина реальной тормозной колодки составляют l_o=0.300 м и d_o=0.050 м, аналогичные параметры модели тормозной колодки составляют l_м=0.060 м d_м=0.010 м.

материалы, из которых выполняются элементы трибопары на образце и модели одинаковы: удельная теплоемкость материала колеса и цилиндрического тела с_o = с_м = 462, плотность , коэффициент теплопроводности .

Коэффициент трения и коэффициент разделения тепловых потоков одинаковы для образца и модели: f_o= f_м=0,3, в колесо.

Линейная скорость перемещения трущихся тел для образца и модели принимается одинаковой: , при этом угловая скорость вращения модели колеса увеличивается в 5 раз по сравнению с образцом, и принимает значения для образца и модели, где: .

Нагрузка на пару трения для модели, по сравнению с образцом, уменьшается в 25 раз и принимает значения для образца и модели: N_о=3800 кГс, N_м=152 кГс.

Время взаимодействия модели трибосопряжения «колесо - тормозная колодка», по сравнению с образцом, уменьшается в 25 раз.

Регистрируемые значения температуры для модели в 5 раз меньше, чем для образца, поэтому, если максимальная температура для образца составляет _мах о=15^оС, для модели она будет равна _{мах м}=3^оС.

Выполнение критерия Био потребовало увеличить коэффициент теплоотдачи на модели в 5 раз, по сравнению с образцом. Коэффициент теплоотдачи для образца: , для модели: . Это приводит к тому, что трибосопряжение на модели необходимо обдувать воздухом со скоростью .

Таким образом, имеется возможность провести моделирование процесса формирования объемного температурного поля модели колеса в трибосистеме «колесо-тормозная колодка» в масштабе 1:5 при условии, что температурные градиенты образца и модели одинаковы.

В третьей главе приводиться описание оборудования, приборов и методики экспериментального исследования, процесса формирования объемного температурного поля модели колеса в трибосопряжении «колесо - тормозная колодка».

Лабораторный комплекс состоит из модернизированного стенда СКТК-190, портативной тепловизионной камеры (тепловизора) и ЭВМ (рис. 1).

Рис. 1. Лабораторный комплекс для теплофизических исследований

Необходимость разработки специализированного стенда возникла из того, что стандартные машины трения не удовлетворяют специальным требованиям, появляющимся в результате использования температурного поля модели колеса в качестве чувствительного элемента.

Стенд изготовлен на базе токарно - винторезного станка 1К62 (ТВС). Конструкция ТВС позволяет использовать токарный патрон в качестве образцедержателя для образца, моделирующего колесо, а в качестве устройства нагружения - рычаг, установленный на оси, закрепленной в резцедержателе, и несущий на коротком плече образец, моделирующий тормозную колодку (рис. 2).



Рис. 2. Общий вид стенда СКТК-190:

1 - модель колеса;

2 - модель тормозной колодки;

3 - рычаг;

4 - амортизатор;

5 - груз

Образец, моделирующий колесо, внутренней цилиндрической поверхностью закрепляется на кулачках токарного патрона. Исследуемой является лицевая торцовая поверхность модели образца. Образец, моделирующий колодку, закрепляется на коротком плече рычага устройства нагружения. Рычаг устанавливается на оси, закрепленной в пазу резцедержателя. На длинном плече рычага закрепляется амортизатор, в качестве которого служит комплект пружин растяжения.

Модель колеса без дефектов представляет собой цилиндр, диаметр которого 190 мм, толщина 28 мм. Образец, моделирующий тормозную колодку без дефектов, представляет собой сегмент из фрикционного материала с хордой 60 мм и толщиной 10 мм.

Исследование теплового поля модели колеса, имеющего неравномерный износ поверхности катания, проводилось с использованием дополнительной прокладки толщиной 0,4 мм, установленной между внутренней цилиндрической поверхностью образца и одним из кулачков. После закрепления образца на кулачках патрона поверхность круга катания образца располагается эксцентрично относительно оси вращения шпинделя.

В качестве портативной тепловизионной камеры использовался ThermoCAM модели РМ300 фирмы Inframetrics - функциональная тепловизионная система с инфракрасным приемником в виде матрицы 256х256 элементов в фокальной плоскости, с измерением распределения температуры по всей плоскости обзора и со встроенными функциями записи, хранения и анализа термокадров. Чувствительность тепловизионной камеры составляет 0,1^оС, спектральный диапазон - от 3,4 до 5 мкм, диапазон рабочих температур - от -10 до +65 ^оС и от -20 до +120 ^оС, потребляемая мощность - не более 12 Вт, вес - 1,7 кг, вывод черно-белого или цветного изображения осуществляется в форматах RS-170, NTSC, S-VIDEO, CCIR, PAL, присутствуют встроенный дисплей, функции увеличения изображения.

Для проведения исследований на модернизированном стенде разработана методика, которая определяет объект исследования - образцы элементов трибосопряжения «цилиндрическое тело - тормозная колодка», моделирующие натурное железнодорожное колесо и натурную тормозную колодку, получены объемные температурные поля трибосопряжений и разработаны рекомендации по применению лабораторного комплекса.

Определяемым в процессе испытаний показателем является объемное температурное поле цилиндрического тела в трибосопряжении «колесо - тормозная колодка» (, ⁰С). Контролируемыми факторами являются: N-нагрузка на пару трения, -угловая скорость вращения цилиндрического тела, моделирующего колесо, t-время взаимодействия трибопары, V_среды - скорость обдува трибосопряжения воздухом. Фактор t - варьируется, остальные факторы - N, , V_среды - не варьируются в процессе эксперимента.

Испытуемые образцы размещаются на стенде СКТК-190; тепловизионная камера размещается перпендикулярно лицевой, торцевой стороне цилиндрического тела на расстоянии 3 м от стенда СКТК-190 без преграждающих предметов; тепловизионная камера включается и подключается к разъему видеоввода ЭВМ; ЭВМ подсоединяется к источнику питания; загружается специализированное программное обеспечение, позволяющее записывать в реальном масштабе времени данные, поступающие от тепловизионной камеры; для создания ламинарного потока обдувающего воздуха, вентилятор устанавливается справа от трибосопряжения на расстоянии 1 м; на стенде выставляются нагрузка и угловая скорость вращения цилиндрического образца; включается вентилятор; скорость обдувающего трибосопряжение воздуха измеряется крыльчатым анемометром; запускается на работу стенд СКТК-190; время трения фиксируется с помощью секундомера; после достижения фактора t значения t₁ стенд останавливается; производится запись теплового образа трибосопряжения на ЭВМ; контролируемые факторы и имена файлов, содержащих тепловые образы трибосопряжения при данном наборе контролируемых факторов, заносятся в форму журнала испытаний; образцы на стенде заменяются; эксперимент повторяется для t₂ и t₃.

В четвертой главе производится построение градуировочной характеристики комплекса для моделирования температурных полей колесных трибосопряжений. Определение градуировочной характеристики комплекса проведено на основе математического моделирования процесса формирования объемного температурного поля модели колеса в трибосопряжении «колесо - тормозная колодка».

Граничный источник тепла, при моделировании процесса формирования объемного температурного поля колеса в трибосопряжении «колесо - тормозная колодка», представляется в виде точечных источников, мощность и местоположение которых определяется следующей функцией:

где - температура, t - временная координата, r, - полярные координаты, R-радиус цилиндрического тела, - глубина пограничного слоя фрикционного контакта, -мощность источника тепла: ; - коэффициент трения, N - нагрузка, - коэффициент разделения тепловых потоков, S - площадь пятна взаимодействия в трибосистеме «цилиндрическое тело-сегмент», с-теплоемкость материала цилиндрического тела, - плотность материала цилиндрического тела, (t) - угловая скорость вращения цилиндрического тела; (х) - Дельта-функция Дирака.

Исследования температурных полей цельнокатаных вагонных колес, проведенные в работе С.Н. Киселева, В.Г. Иноземцева, С.Ю. Петрова, А.С. Киселева «Температурные поля, деформации и напряжения в цельнокатаных колесах в различных режимах торможения», показали слабую зависимость температуры колеса по координате z. Учитывая цилиндрическую симметрию задачи и однородность источника нагрева по z-координате, было показано, что однородный по оси z поток тепла в окружающую среду не искажает пространственных температурных градиентов по r и , а лишь изменяет их амплитуды. Поэтому для построения градуировочной характеристики комплекса достаточно рассмотреть изменение температурной структуры модели колеса от координат r и .

Температурная структура теплового поля модели колеса, образованная действием источника тепла, мощность которого - функция времени, не зависит от угловой координаты (рис. 3).



Рис. 3. графики тепловой поверхности модели колеса в декартовой системе координат при времени взаимодействия:

а - t₁=37c; б - t₂=109c; в - t₃=195c; г - температурный клин, ⁰С

На рис. 4 представлена зависимость температуры модели колеса от радиуса при времени действия источника тепла: t₁=37c; t₂=73c; t₃=109c; t₄=145c; t₅=181c; t₆=195c.

На рис. 5 показаны изменения температуры в зависимости от времени взаимодействия модели трибосопряжения «колесо - тормозная колодка» на различных окружностях модели колеса: u_i,29=0,060 м, u_i,33=0,069 м, u_i,36=0,075 м.

Градуировочная характеристика построена в виде ряда по функциям Бесселя переменной r:

,

где - функция Бесселя первого рода нулевого порядка, - положительные корни уравнения , расположенные в порядке возрастания, m - количество корней.

Распределение объемной температуры модели колеса зависит от радиуса и времени взаимодействия трибосистемы.

Характер радиального изменения объемного температурного поля определяется параметрами конструкции трибосостемы: коэффициентом теплопроводности, удельной теплоемкостью, плотностью стали цилиндрического тела, глубиной пограничного слоя фрикционного контакта, временем взаимодействия модели колеса с моделью тормозной колодки.

характер тепловой структуры модели дефектного колеса устанавливается на основе математического моделирования процесса формирования объемного температурного поля в трибосопряжении «колесо с неравномерным износом поверхности катания - тормозная колодка», с использованием методик и выводов, полученных при моделировании бездефектного колеса.

Граничный источник тепла, при моделировании процесса формирования объемного температурного поля колеса с неравномерным износом поверхности катания в трибосопряжении «колесо - тормозная колодка», представляется в виде точечных источников, мощность и местоположение которых определяется следующей функцией:

,

где k - коэффициент динамической перегрузки, учитывающий наличие дополнительной прокладки, установленной под одним из кулачков.

Поставленная задача по распространению тепла в модели колеса при наличии внешнего источника его нагрева приводит к интегрированию неоднородного уравнения параболического типа в цилиндрических координатах.

Характер тепловой структуры модели колеса с неравномерным износом поверхности катания определяется следующим выражением, найденным в виде ряда Фурье по синусам и косинусам переменной и функциям Бесселя переменной r:

.

Наличие у модели колеса неравномерного износа поверхности катания вызывает в его температурном поле «сегментарную» угловую анизотропию (рис. 6). Температурные структуры модели колеса с неравномерным износом поверхности катания получены при нагрузке N=1650 Н, радиусе модели колеса R=0,095 м, угловой скорости вращения модели колеса =12,5 рад/с, коэффициенте теплопроводности колесной стали , удельной теплоемкости колесной стали с=462, плотности колесной стали , коэффициенте распределения тепловых потоков , коэффициенте трения , границе действия внешнего источника тепла м, коэффициенте динамической перегрузки k=7.

Рис. 6. Объемные температурные поля модели колеса с неравномерным износом поверхности катания

На рис. 7 показаны изменения объемной температуры по радиусу модели колеса, при условии, что взаимодействие модели колеса с моделью тормозной колодкой происходит за время t_i=t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, t₆, соответствующее 31, 62, 93, 124, 155, 186 с.

На рис. 8 представлены изменения объемной температуры в зависимости от времени взаимодействия модели колеса и модели тормозной колодки на различных окружностях колеса, определяемых параметром r_j, равным 0,060; 0,069; 0,075 м.



На рис. 9 показаны изменения температуры по углу модели колеса, при условии, что взаимодействие модели колеса с моделью тормозной колодки происходит за время t_i=t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, t₆ соответствующее 31; 62; 93; 124; 155; 186 с.

Рис. 9. Угловые изменения объемной температуры модели колеса с неравномерным износом поверхности катания при различном времени действия источника тепла

Для детализации информации о неоднородности нагрева модели колеса с дефектом был разработан метод выделения эффективного радиуса. метод выделения эффективного радиуса показал, что на тепловое поле модели колеса с неравномерным износом поверхности катания, присутствуют моды n=0, 1. Под модой в данном контексте понимается число периодов колебаний функции косинуса, уложенных по окружности на эффективном радиусе. Иначе говоря, если n=0, то на тепловом образе цилиндрического тела нет областей, разогретых более других, n=1 - такая область есть, n=2 - есть две разогретых области и т.д. (рис. 10).

Рис. 10. Спектр температурной структуры математической модели колеса с неравномерным износом поверхности катания, полученный при эффективном радиусе rэ

Мода n=0 характеризует объемное температурное поле цилиндрического тела в трибосопряжении «колесо - тормозная колодка» без дефектов.

Наличие у цилиндрического тела неравномерного износа поверхности катания порождает в его объемном температурном поле один участок, разогретый более других. Математическое моделирование показало, что угловую «сегментарную» анизотропию объемного температурного поля цилиндрического тела с неравномерным износом поверхности катания порождает именно мода n=1.

В пятой главе производится обработка, анализ и оценка результатов экспериментального исследования процесса формирования объемного температурного поля колеса без дефектов и с неравномерным износом поверхности катания в трибосопряжении «колесо - тормозная колодка».

Сравнительный анализ данных лабораторного эксперимента и математического моделирования процесса формирования объемного температурного поля модели колеса без дефектов в трибосопряжении «колесо - тормозная колодка» показал хорошую сходимость кривых температуры, при этом абсолютная погрешность измерений составила 0,3 ⁰С, относительная - 9,95%. Мощность граничного источника тепла является функцией времени, при этом характер радиального изменения объемного температурного поля определяется параметрами конструкции трибосистемы: коэффициентом теплопроводности, удельной теплоемкостью, плотностью стали цилиндрического тела, а также глубиной пограничного слоя фрикционного контакта (рис. 11). На рисунке 11 представлена зависимость температуры модели колеса от радиуса при различном времени действия его внешнего нагрева: 1; 37; 73 с.

Анализ данных экспериментального исследования процесса формирования объемного температурного поля трибосопряжения «колесо с неравномерным износом поверхности катания - тормозная колодка» показал наличие в тепловой структуре модели неравномерно изношенного нецилиндрического колеса участка, разогретого более других, характеризующегося тепловым спектром с ярковыраженной модой n=1 (рис. 12). На рис. 12 представлен спектр температурной структуры модели трибосопряжения «колесо с неравномерным износом - тормозная колодка», полученный посредством экспериментального исследования за время взаимодействия трибосопряжения t=186 с.

Разработанный лабораторный комплекс позволяет проводить исследования объемных температурных полей трибосопряжений с относительной погрешностью, не превышающей 10%.

Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что создание нового лабораторного комплекса, использующего ИК-сканер высокого разрешения, позволяет с достаточной точностью моделировать объемные температурные поля различных видов трибосопряжений, в том числе имеющих дефекты.

В шестой главе производится оценка экономической эффективности метода прогнозирования температурных полей фрикционных систем. При оперативном обследовании ходовых частей грузовых вагонов возникает экономический эффект, связанный с увеличением безопасности движения поездов, а также ресурсосбережением запасных частей, энергии, профессионального труда при устранении неисправностей, выявленных на начальной стадии их развития посредством фиксации изменения температурного поля колеса в размере 370 595 руб. в месяц для вагонного депо СКЖД.

Основные результаты и выводы

В результате исследований:

1. Выполнено физическое моделирование при условии равенства температурных градиентов. Определены физические и конструкционные параметры элементов, моделирующих железнодорожное колесо и тормозную колодку. Установлены скорости перемещения, нагрузки, время взаимодействия моделируемых трибопар. Показано, что уровни значений температурного поля на модели значительно меньше, чем для реального колеса. Указаны условия охлаждения элементов, моделирующих трибосопряжение «колесо - тормозная колодка». Дан анализ процесса формирования температурного поля моделируемых и реальных трибопар при равенстве их температурных градиентов.

2. Разработана методика проведения трибологических испытаний модельных трибосопряжений с использованием в качестве чувствительного элемента структуры их температурных полей. Определены условия и порядок проведения испытаний модельных трибосопряжений. Даны рекомендации по испытанию различных типов трибосопряжений. Выявлены основные контролируемые факторы при трибологических испытаниях элементов, моделирующих взаимодействие колеса с тормозной колодкой. Установлены метрологические показатели измерительных приборов для проведения трибологических испытаний.

3. Разработан и изготовлен комплекс для моделирования процессов формирования температурных структур теплового поля колесных трибосопряжений, включающий в себя: стенд СКТК-190, портативную тепловизионную камеру, ЭВМ. Основное отличие разработанного комплекса от существующих состоит в том, что в качестве дополнительного измерительного элемента использована ПЗС-матрица тепловизора высокого разрешения. Второе отличие состоит в том, что измерительный элемент вынесен за пределы работающих трибомоделей.

4. Научно обоснована градуировочная характеристика комплекса при моделировании колесных трибосопряжений. Определение градуировочной характеристики комплекса проведено на основе математического моделирования процесса формирования объемного температурного поля трибосопряжений при условии изменения величины слоя фрикционного контакта. Выявлена зависимость изменения слоя фрикционного контакта от времени. Определены параметры мощности внешнего источника нагрева испытываемой трибосистемы. Показано, что градуировочная характеристика комплекса определена параметрами конструкции элементов трибосопряжения (коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость, плотность материала, радиус колеса) и временем взаимодействия трибопары. Установлено, что амплитудные значения градуировочной характеристики зависят от мощности источника тепла. Дан анализ характера изменения объемного температурного поля.

5. Установлен характер тепловой структуры модели дефектного колеса на основе математического моделирования процесса формирования объемного температурного поля колеса в трибосопряжении «колесо с неравномерным износом поверхности катания - тормозная колодка». В результате получено, что наличие у колеса неравномерного износа поверхности катания вызывает в его температурном поле «сегментарную» угловую анизотропию. Сравнительный анализ данных лабораторного эксперимента и градуировочной кривой процесса формирования объемного температурного поля модели колеса показал хорошую сходимость графиков радиальных изменений температуры модели колеса при различном времени действия источника тепла, при этом абсолютная погрешность измерений составила 0.3 ⁰С, относительная - 9,95%. анализ данных экспериментального исследования процесса формирования объемного температурного поля трибосопряжения «колесо с неравномерным износом поверхности катания - тормозная колодка» показал наличие в тепловом спектре неравномерно изношенного нецилиндрического тела моды n=1.

Дальнейшее развитие задачи исследования процесса формирования объемного температурного поля колеса состоит в определении аномалий, вносимых различными видами дефектов в тепловое поле, что приведет экспертно-информационную систему тепловой диагностики транспорта к качественному скачку в распознавании неисправностей ходовой части подвижного состава.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Барзданис Ю.В. ИК-излучение как индикатор геометрических неровностей колес // Сб. «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и подготовки специалистов». Тез. докл. 57-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, посвященной Дню науки. / Ростов-на-Дону. 1998. С. 141-143.

Барзданис Ю.В., Евдокимов Ю.А. Инфракрасная термография-информативный метод оценки технического состояния колесных узлов // Материалы 58-й научной конференции профессорско-преподавательского состава РГУ ПС 20-22 апреля 1999 г. / Ростов-на-Дону. 1999. С. 43.

Барзданис Ю.В., Евдокимов Ю.А. Перспективы развития диагностики ходовых частей подвижного состава // Вестник РГУ ПС. 1999. №1. С. 56-58.

Алексенко В.М. Барзданис Ю.В., Евдокимов Ю.А. Математическое моделирование радиального теплового поля колесной пары с неравномерным прокатом / Труды международной научно-теоретической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» 28 октября 1999 г. // РГУ ПС. Ростов н/Д, 1999. С. 156.

Барзданис Ю.В. Температурные поля колесных пар подвижного состава железнодорожного транспорта при коротких неровностях поверхности катания / Сб. «Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники» // Ростов н/Д. СКНЦ ВШ. 2000. С. 11-20.

Барзданис Ю.В. Перспективы развития диагностики коротких неровностей поверхности катания колесных пар подвижного состава / Сб. «Состояние и перспективы развития дорожного комплекса» // Брянск. БГИТА. 2000. С. 48-49.

Алексенко В.М., Барзданис Ю.В., Евдокимов Ю.А. Влияние неравномерного проката колесной пары подвижного состава железнодорожного транспорта на анизотропию радиального теплового потока // Международный симпозиум «О природе трения твердых тел» (БЕЛТРИБ-99) /тезисы докладов конференции // Гомель. ИММС НАНБ. 1999. 118 с.

Евдокимов Ю.А., Барзданис Ю.В. Температурные поля колесных пар подвижного состава железнодорожного транспорта при длинных неровностях поверхности катания // Ростов-на-Дону. Вестник РГУ ПС. 2001. №2. С. 36-42.

Размещено на Allbest.ru

...