Планирование инженерного анализа при создании устройств, использующих магнитное поле для снижения потерь энергии в системе "колесо-рельс"

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 629.4.027.4: 656.2

Планирование инженерного анализа при создании устройств, использующих магнитное поле для снижения потерь энергии в системе «колесо-рельс»

Воробьев В.И., Измеров О.В., Волохов С.Г.

Россия, г. Брянск, БГТУ

Аннотация

трение магнитный инженерный рельс

Рассмотрена задача снижения потерь энергии путем применения устройств, влияющих на коэффициент трения в системе «колесо-рельс» путем воздействия магнитного поля. Предложен план работ по инженерному анализу таких устройств на всех стадиях проектирования и подготовки к выпуску продукции.

The problem of energy saving for “wheel-rail” system by using the magnetic adhesion amplifiers is considered. The complete plan on the engineering analysis for magnetic adhesion amplifiers is offered.

Экспериментально установлено, что затраты мощности тягового привода железнодорожного локомотива при скольжении колесных пар могут достигать 300 кВт на колесную пару в зависимости от относительного скольжения колесных пар и исходного фрикционного состояния рельсов [1], при часовой мощности на тягу для большинства эксплуатируемых электровозов порядка 600-800 кВт на колесную пару. Внедрение асинхронных тяговых электродвигателей и систем управления, обеспечивающих регулирование осевого тягового усилия для каждой оси в соответствии с предельными возможностями по условию сцепления также не является исчерпывающим решением проблемы в связи с тем, что при снижении коэффициента сцепления колес с рельсом вследствие загрязнений и наличии влаги максимум коэффициента сцепления реализуется при относительном скольжении 5-10% и выше [1]. Рост относительного скольжения, соответствующего максимальной величине силы тяги, происходит и при развитии автоколебаний колесной пары в режиме боксования [2]: так, при испытаниях тепловоза 2ТЭ121-003Б обнаружилось, что при интенсивных автоколебаниях колесной пары коэффициент сцепления порядка 0,3 был реализован при скольжении от 1 до 15%. Скольжение колесной пары при реализации предельных тяговых усилий также ведет к увеличению расхода легированной стали на изготовление бандажей и рельс.

Решением проблемы является использование устройств для управления коэффициентом трения в самом контакте колеса и рельса. Такое управление может быть осуществлено воздействием на контакт магнитного поля, что приводит к увеличению коэффициента трения для контактирующих поверхностей [3]. Основной причиной, сдерживающей создание магнитных усилителей коэффициента сцепления (МУКС) является отсутствие опыта их проектирования и большой деловой риск, связанный с возникновением непредсказуемых проблем в ходе проектирования и опытной эксплуатации. Согласно [4], вероятность ошибок в процессе проектирования можно существенно снизить за счет своевременного выявления унинформации - совокупности данных, необходимых для устранения информационного дефицита в процессе проектирования. На основании общетеоретического подхода, изложенного в [4], предложен метод планирования инженерного анализа, направленный на выявление унинформации и включающего в себя методику анализа теоретических работ, которая позволяет упростить их восприятие инженером-проектировщиком, исходя из того, что МУКС есть применение нового физического эффекта (воздействие магнитного поля) при известной частной функции, которую можно определить, как обеспечение фрикционного взаимодействия колеса и рельса. Ключевым элементом метода является алгоритм анализа научно-теоретических работ, как процедуры, наиболее сложной для инженерных работников (Рис.1.).

Рис.1. Алгоритм анализа теоретических работ в процессе выявления унинформации.

Проведенный на основе указанного алгоритма анализ научных работ позволил прийти к следующим выводам.

Во-первых, существует принципиальная возможность за счет применения внешних магнитных полей качественно улучшить целый ряд показателей системы «колесо-рельс», компенсировав тем самым увеличение напряжений в зоне контакта, вызванных усилением нажатия колеса на рельс и касательных усилий. На это, в частности указывает изменение коэффициента трения, выявленное в [5].

Во-вторых, настоящее время не сложилось единого представления о природе влияния магнитного поля на свойства материалов. Можно выделить две основные теории. Согласно первой из них, исследователи объясняют изменение физических свойств металлов при воздействии магнитного поля прежде всего изменением поведения в магнитном поле легкоподвижных элементов, добавок, примесей в материале деталей [6]. В соответствии со второй теорией, одной из причин роста подвижности дислокаций при воздействии внешнего электромагнитного поля, приводящей к различным наблюдаемым явлениям, в настоящее время считают влияние электронных спинов, локализованных на дефектах кристаллической решетки. При этом, как показано Р.Б. Моргуновым в [7], возможность влияния электронных спинов, локализованных на дефектах структуры, на механические свойства кристаллов до недавнего времени не принимали во внимание.. Получение строгих экспериментальных доказательств влияния спин-зависимых процессов на пластическую деформацию ионных кристаллов в магнитном поле и рост количества публикаций на эту тему определили возникновение нового направления в физике пластичности спиновой микромеханики, целью которой является получение знаний о микроскопических спин-зависимых процессах, влияющих на механические свойства твердых тел.

Предложен план работ, охватывающий потенциальные проблемы создания изделия (Рис.2.). Конечной целью является выделение и ранжирование сфер применения МУКС по соотношению «затраты-эффект», где риски от побочных эффектов (прилипание металлических предметов, ферромагнитной пыли) сведены к минимуму. По данным экономического анализа выбирается один из выпускаемых или эксплуатируемых локомотивов для опытной эксплуатации макетного образца, а также рациональная сфера его эксплуатации. Цель эксплуатации макетного образца - выявить как можно больше возможных проблем при использовании потребителем МУКС с учетом всей совокупности современных условий эксплуатации, которые могут отличаться от тех, в которых проходили испытания тепловоза ТЭМ2УС.

Рис.2. Предлагаемый план работ по инженерному анализу при создании электромагнитного усилителя коэффициента сцепления.

Предлагается провести более подробный анализ фундаментальных исследований, результатом которого должен быть выбор технических решений ряда физических моделей и лабораторных установок для получения эмпирических закономерностей влияния магнитного поля на свойства вещества в диапазоне параметров, характерных для создаваемых МУКС (изменение коэффициента трения, пластичности, износа, трещинообразования и выкрашивания). Полученные эмпирические закономерности могут быть использованы для создания математических моделей, предназначенных для проектирования вариантов конструкции, а также для формирования в научно-теоретического задела для анализа и сопоставления с данными фундаментальных исследований. Установлено, что для проектирования вариантов конструкции потребуются следующие виды моделирования:

- предварительное моделирование различных вариантов конструкции усилителей сцепления для определения магнитных потоков и механической нагруженности конструкции перед проведением стендовых испытаний и в качестве их сопровождения;

- моделирование локальных механических напряжений и термических процессов в зоне контакта «колесо-рельс».

Установлено обязательное проведение следующих видов стендовых испытании для изготовленных натурных образцов:

- сравнительные испытания различных вариантов МУКС с целью поиска наиболее эффективных элементов конструкции;

- исследования на физических объектах факторов повреждаемости колеса и рельса в процессе контактного взаимодействия с учетом воздействия внешнего магнитного поля.

Результаты указанных испытаний позволят выбрать вариант узла, который, после проведения на стенде комплексных ресурсных испытаний, используется для создания макетного образца локомотива. Далее, после выявления проблем в эксплуатации макетного образца, необходимо проведение интерактивной процедуры поиска недостающей информации, что позволит приступить к проектированию уже для серийного локомотива.

Создание МУКС, в свою очередь, создает новые критерии оптимизации колесно-моторного блока: создание противобоксовочной системы, которая должна предсказывать снижение сцепления и корректировать его для поддержания постоянства силы тяги.

Литература

1. Попов В.А. Влияние фрикционных процессов на реализацию сцепления колесных пар локомотивов с рельсами: автореф. дисс.. на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1984 20 c.

2. О.В. Измеров, А.В. Кошелев, А.Н. Чвала. Проблема воспроизводимости результатов натурных экспериментальных исследований трибологических свойств системы «колесо-рельс» в условиях глобализации рынка рельсовых транспортных средств: статья. «Мир транспорта и технологических машин», № 3(34) 2011 (июль-сентябрь), Орёл, ОрёлГТУ, с. 28-34.

3. Тихомиров, В.П. Моделирование сцепления колеса с рельсом: монография / В.П. Тихомиров, В.И. Воробьев, Д.В. Воробьев, Г.В. Багров, М.И. Борзенков, И.А. Бутрин. - Орел: ОрелГТУ, 2007. - 127 с.-ил.

4. Инновационное проектирование машин: монография / [О. В. Измеров и др.] под редакцией член-корр. академии электротехнических наук Российской федерации, д-ра техн. наук А.С. Космодамианского. - Орел, ОрелГТУ, 2010. - 413 с.

5. Chang, Y.P. Effects of friction on tribo-magnetization mechanisms for self-mated iron pairs under dry friction condition/ Y.P. Chang, L.M. Chu, H.M. Chou, Y.C. Hwang//Proc. IMechE,2009.- Vol. 223, Part J: J. Engineering Tribology.- P. 1-12

6. Гаркунов Д.Н., Суранов Г.И., Коптяева Г.Б., О природе повышения износостойкости деталей и инструмента магнитной обработкой. Трение и износ. 1982, т.3,№2. 327-330с.

7. Моргунов Р.Б. Спин - зависимые реакции между дефектами структуры и их влияние на пластичность кристаллов в магнитном поле // Вестник РФФИ. № 2(32), июнь 2003. С. 19-46.

Размещено на Allbest.ru