Обґрунтування резервів підвищення тягових якостей локомотива та їх реалізація керуванням ковзання в системі колеса з рейкою

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обґрунтування резервів підвищення тягових якостей локомотива та їх реалізація керуванням ковзання в системі колеса з рейкою

Залізничний транспорт займає провідне місце в транспортній системі України. Стратегія його розвитку спрямована на підвищення економії енергетичних ресурсів, пропускної та провізної спроможності залізниць, що забезпечується створенням конкурентоспроможної тягової одиниці.

Актуальність теми. Головним критерієм створення сучасних локомотивів є підвищення тягово-зчіпних і динамічних якостей локомотивів, від яких залежить ефективність експлуатації рухомого складу.

Проблема реалізації максимальних тягових зусиль - складне та багатофакторне завдання, яке пов'язане зі значним різноманіттям конструктивних та експлуатаційних параметрів локомотива. Неточність статичного та динамічного розважування, різниця тягових зусиль та умов зчеплення окремих колісних пар призводить до провокування надлишкового ковзання і, як наслідок, підвищення ймовірностей боксувань, зниження тягових зусиль, збільшення зносу в системі “колесо-рейка”. У дослідженнях щодо створення високоефективних систем залізничного транспорту переважає орієнтація на вирішення окремих завдань. Це цілком певний і природний процес руху на шляху від часткового до загального. Однак сума окремих рішень у таких складних системах не завжди ефективна для системи в цілому. Тому роль комплексного підходу до проблеми підвищення тягово-зчіпних якостей є на сьогодні досить актуальною, що й зумовило вибір теми дисертаційної роботи у якій поставлене завдання вирішується керуванням ковзання в системі “колесо-рейка”.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано в межах Державної програми реформування залізничного транспорту України на 2007-2015 рр. (розпорядження Кабінету Міністрів України № 651-р від 27.12.2006 р.), програм з розроблення й виробництва нового рухомого складу, затверджених Кабінетом Міністрів України (Постанова Кабінету Міністрів України № 313-р від 22.10.1991 р., № 66-р від 03.02.1992 р. і № 992 від 01.07.1998 р.). Дисертаційна робота є частиною “Державної науково-технічної програми розвитку залізничного транспорту України”, отриманого та виконаного здобувачем гранту Президента України “Вдосконалення ходових частин високошвидкісного рухомого складу” (розпорядження Президента України № 19/2007 від 30.01.2007 р.), планів нової техніки Укрзалізниці, планів науково-дослідних робіт Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. Отримані в дисертації результати й висновки реалізовані в держбюджетних науково-дослідних роботах, в яких автор був виконавцем: ДН-32-03 “Cтворення перспективних конструкцій засобів рейкового транспорту і обґрунтування їх ефективності на підставі модульної інформаційної системи” (№ держ. реєстрації 0103U000422); КДН-14-05 “Автоматизована система керування (АСК) надійністю і діагностики рухомого складу (РС) на стадії проектування та експлуатації”, яка виконувалася по державній науково-технічній програмі “Ресурс” МОН України (№ держ. реєстрації 0105U008785); ДН-29-06 “Розробка теорії фізико-хімічних процесів тертя при силовому контакті в процесах кочення й ковзання” (№ держ. реєстрації 0106U000289); ДН-23-09 “Розробка й реалізація наукових основ енергоефективності рухомого складу залізниць і комплексу технічних рішень із удосконалюванням системи випробувань” (№ держ. реєстрації 0109U000068); ДН-09-09 “Розробка методів управління контакту колесо-рейка дослідженням трибологічних закономірностей їхньої взаємодії” (№ держ. реєстрації 0109U000081); галузевий господарський договір “Аналітичне обґрунтування й експериментальна перевірка технічних рішень конструкцій ходової частини локомотива для швидкості руху 160-180 км/год” (№ Т-3\04).

Мета і завдання дослідження. Підвищення тягово-зчіпних якостей локомотива шляхом керуванням величиною ковзань у парі “колесо-рейка” при реалізації сили тяги, що дозволяє покращити ефективність експлуатації тягового рухомого складу.

Для досягнення поставленої мети сформульовані такі завдання:

- проаналізувати й узагальнити наявні теоретичні дослідження з проблеми збільшення сили тяги локомотива та розробити метод підвищення тягово-зчіпних якостей на основі цільової функції для оцінки резерву реалізації сумарної сили тяги колісних пар локомотива з урахуванням комплексного підходу до результатів аналізу конструктивних параметрів локомотива та експлуатаційних факторів;

- розробити спосіб підбору тягових електродвигунів (ТЕД) по колісних парах локомотива з урахуванням перерозподілу навантажень від колісних пар на рейки та нерівномірності коефіцієнта зчеплення під кожною колісною парою;

- за результатами чисельного експерименту з використанням планування експерименту скласти рівняння регресії залежності коефіцієнта використання зчіпної ваги локомотива від факторів, що впливають на силу тяги; для ефективного перерозподілу навантажень від колісних пар на рейки визначити величину зусилля довантажувального пристрою та необхідну величину його зміни в процесі експлуатації;

- довести доцільність електризації абразивного сипучого матеріалу при подачі його в контакт колеса з рейкою для досягнення високих зчіпних якостей; скласти методику експериментального визначення електричного заряду абразивного сипучого матеріалу від напруженості електричного поля; оцінити вплив електризації частинок піску на фрикційні характеристики трибоконтакту, на основі яких удосконалити математичну модель руху абразивного сипучого матеріалу та математичну модель фрикційної взаємодії колеса з рейкою; побудувати характеристику зчеплення колеса з рейкою з урахуванням дії довантажувальних пристроїв та електризованого абразивного матеріалу в контакті; скоротити витрати часу на розв'язання нормальної задачі математичної моделі фрикційної взаємодії колеса з рейкою;

- розробити рекомендації та технічні рішення щодо оціненого за цільовою функцією резерву сили тяги удосконаленням екіпажної частини для керування ковзанням в контакті колеса з рейкою за рахунок довантажувального пристрою та модернізованої піскової системи; удосконалити стендове обладнання для дослідження зчіпних якостей.

Об'єкт дослідження - процеси реалізації тягово-зчіпних якостей локомотива.

Предмет дослідження - закономірності впливу конструктивних параметрів екіпажної частини локомотива та експлуатаційних факторів на величину ковзання в контакті колеса з рейкою.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження обґрунтовуються на методах математичного та імітаційного моделювання процесів взаємодії в системі “колесо-рейка”; методі частинок. При моделюванні використовувалися системи диференціальних рівнянь, дискретно-траєкторний підхід, закони електростатики й теоретичної механіки. Оцінювання впливу експлуатаційних факторів на коефіцієнт використання зчіпної ваги локомотива проводилося розробленою за участю автора комп'ютерною програмою “Програмний комплекс для оцінки тягових якостей локомотивів” (свідоцтво № 33741), а оброблення даних чисельного експерименту - програмою “Планування експерименту для залізничного транспорту” (свідоцтво № 31722). Для експериментальних досліджень використовувалося математичне оброблення результатів.

Наукова новизна отриманих результатів:

- на основі запропонованої цільової функції розроблено метод підвищення тягово-зчіпних якостей, який відрізняється урахуванням взаємозв'язку перерозподілу навантажень від колісних пар на рейки, різниці характеристик ТЕД по колісних парах локомотива та нерівномірності розподілу коефіцієнтів зчеплення поверхонь тертя кожної колісної пари, що забезпечило мінімізацію ковзання в контакті колеса з рейкою;

- уперше одержано аналітичні залежності коефіцієнта використання зчіпної ваги від конструктивних параметрів локомотива та їхньої зміни в процесі експлуатації для визначення режимів регулювання зусиль довантажувальних пристроїв;

- одержала подальший розвиток імітаційна модель, що описує вплив електричного заряду частинок абразивного матеріалу як функцію напруженості електричного поля на рух і розподіл по поверхні рейки абразивного наелектризованого сипучого матеріалу;

- одержала подальший розвиток математична модель контактної взаємодії колісної пари з рейковою колією, урахуванням наявності в контакті колеса з рейкою електризованого піску та удосконаленням алгоритму розв'язання нормальної задачі випадковим характером визначення навантажень у кожному одиничному елементі плями контакту, що дозволило скоротити необхідну кількість ітерацій для досягнення заданої точності розрахунку.

Створено технічні засоби експериментальних досліджень та керуванням ковзання у системі “колесо-рейка”, які забезпечують ідентичність фізичних процесів реального контакту та комплексний вплив на тягово-зчіпні якості: навантаження, коефіцієнта зчеплення та обертального моменту ТЕД для досягнення зменшення проковзувань коліс стосовно рейок.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблений метод підвищення тягово-зчіпних якостей локомотива, що базується на управлінні перерозподілом навантажень від колісних пар на рейки з урахуванням селективного підбору ТЕД по колісним парам локомотива та нерівномірності розподілу коефіцієнтів зчеплення по контактах кожної пари тертя “колесо-рейка”, дозволив оцінити резерв підвищення сили тяги локомотива та напрямок реалізації цього резерву за рахунок мінімізації ковзань у контакті колеса з рейкою.

На основі одержаних аналітичних залежностей коефіцієнта використання зчіпної ваги від проектних параметрів локомотива та їхньої зміни в процесі експлуатації встановлено межі регулювання зусилля довантажувального пристрою для досягнення високих тягово-зчіпних якостей локомотива в процесі всього періоду його експлуатації.

Установлені з використанням розробленої методики експериментальні залежності величини електричного заряду абразивного сипучого матеріалу від електричної напруги дозволили на основі імітаційного моделювання його руху визначити параметри піскової системи локомотива, що базується на електризації частинок.

Використання вдосконаленої математичної моделі контактної взаємодії колісної пари з рейковою колією дозволили одержати характеристику зчеплення з урахуванням впливу електризації абразивного сипучого матеріалу на фрикційні характеристики контакту. Скорочення кількості ітерацій у нормальній задачі сприяло скороченню часу отримання результатів з заданою точністю.

Основні результати дисертаційної роботи реалізовані при виконанні п'яти держбюджетних тем, одного галузевого господарського договору, гранту Президента України та використані ВАТ “ХК”Луганськтепловоз” при проведенні науково-дослідних і проектно-конструкторських робіт зі створення та доведення екіпажної частини маневрових тепловозів потужністю 588 кВт і 883 кВт. Впроваджено рекомендації щодо установлення довантажувальних пристроїв на маневровому локомотиві ТЕМ103-001 та заміни в першій ступені ресорного підвішування фрикційних гасителів коливань на гідравлічні при створенні нових локомотивів ТЕМ103-001, ТЕМ104.

За результатами досліджень запропоновано нові технічні рішення щодо вдосконалення вузлів екіпажної частини локомотивів, підвищення зчеплення в контакті колеса з рейкою (патенти України № 87915, № 48520), удосконалення експериментального обладнання (патенти України № 40536, № 31716).

Отримані наукові результати використовуються в навчальному процесі на кафедрі залізничного транспорту СНУ ім. В. Даля при підготовці студентів за спеціальністю 100501 - рухомий склад і спеціальна техніка залізничного транспорту.

Особистий внесок здобувача. Сформульовано та вирішено науково-технічне завдання підвищення тягово-зчіпних якостей локомотивів. Наукові положення, розробки та висновки, які викладені в дисертації є результатом самостійного дослідження автора. Наукові публікації [9, 10] підготовлені без співавторів. Особистий внесок у наукових працях, опублікованих у співавторстві, полягає в такому:

- проведено комплексний аналіз факторів, що впливають на тягово-зчіпні якості локомотива; на його основі розроблено метод підвищення тягово-зчіпних якостей локомотива та технічні рішення з реалізації резерву сили тяги [1, 2, 5, 7];

- планування експерименту для визначення аналітичних залежностей коефіцієнта використання зчіпної ваги від конструктивних та експлуатаційних факторів, визначення впливу довантажувальних пристроїв на тягові якості локомотива [3, 5, 6, 12];

- удосконалено імітаційну модель руху абразивного сипучого матеріалу в системі “форсунка пісківниці - рейкова колія” з урахуванням електризації частинок, які подаються в контакт колеса з рейкою; запропоновано метод підвищення зчеплення колеса з рейкою за допомогою використання електризованого сипучого матеріалу в контакті, установлено експериментальні залежності коефіцієнта тертя від температури за наявності електризованого піску в контакті [4, 9, 13, 11];

- розроблено методику експериментального визначення електричного заряду абразивного сипучого матеріалу [7, 8, 9];

- виявлено можливості підвищення ефективності експериментальних досліджень зчеплення колеса з рейкою завдяки забезпеченню ідентичності фізичних процесів реального контакту на стендовому обладнанні [14, 15]; розроблено спосіб підвищення зчеплення [17]; апробовано й упроваджено елементи екіпажної частини тепловоза ТЕМ103-001 [16] та створено комп'ютерні програми для проведення досліджень тягово-зчіпних якостей локомотивів, які дозволяють прискорити час виконання НДР і зменшити її вартість [18, 19].

Апробація результатів роботи. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися на Міжнародних науково-технічних конференціях “Проблеми розвитку рейкового транспорту” (м. Ялта, 2007 - 2010 рр.), V Всеросійській науково-технічній конференції “Политранспортные системы” (м. Красноярськ, 2007 р.), IX і X Міжнародних конференціях “Трибология и надежность” (м. Санкт-Петербург, 2008 р., 2009 р.), 62-й науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, наукових співробітників, докторантів і аспірантів Білоруського національного технічного університету (м. Мінськ, 2009 р.), Сьомій міжнародній науково-технічній конференції “Наука - образованию, производству, экономике” (м. Мінськ, 2009 р.), і наукових конференціях професорсько-викладацького складу та наукових співробітників СНУ ім. В. Даля (м. Луганськ, 2008 - 2010 рр.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладено в 19 наукових працях, з яких 8 - у спеціальних виданнях переліку ВАК України, 5 - у матеріалах конференцій, 4 патенти України, 2 свідоцтва на комп'ютерну програму.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків.

Повний обсяг роботи містить 215 сторінок, у тому числі: 72 рисунки - на 32 сторінках, 9 таблиць - на 8 сторінках. Список використаних джерел складається з 250 найменувань уміщених на 27 сторінках, 8 додатків - на 37 сторінках.

У вступі обґрунтовані актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета й завдання, визначені наукова новизна, практичне значення, викладені основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі проаналізовано експлуатаційні фактори та конструктивні параметри екіпажа, що впливають на реалізацію максимальних тягово-зчіпних зусиль локомотива.

Значний внесок у теорію зчеплення коліс з рейками, використання зчіпної ваги, оцінювання і підвищення тягових якостей локомотивів зробили вчені: Бірюков І.В., Бєляєв А.І., Вербек Г., Голубенко О.Л., Горбунов М.І., Долганов О.М., Євстратов А.С., Ісаєв І.П., Камаєв А.О., Каменєв М.М., Кашура О.Л., Коняєв О.М., Костюкевич О.І., Крагельський І.В., Крафт К., Львов М.В., Лужнов Ю.М., Ляшенко В.В., Марков Д.П., Маслієв В.Г., Медель В.Б., Меньшутін М.М., Мінов Д.К., Оганьян Е.С., Окулова К.С., Осенін Ю.І., Рудакова К.О., Самме О.Г., Ткаченко В.П., Чичинадзе А.В. Дослідженню впливу характеристик ТЕД на тягові якості локомотива присвячені праці Горобченко О.М., Ісаєва І.П., Павленка А.П., Федяєва В.М., Фуфрянського М.О. та ін. В цих працях представлені результати, що мають теоретичне та практичне значення для розв'язання зазначеної проблеми, визначення резерву підвищення тягових якостей локомотива.

Комплексний аналіз експериментальних і теоретичних досліджень з підвищення тягово-зчіпних якостей показав, що зниження максимальної сили тяги локомотива, залежить від низки взаємозв'язаних і взаємозалежних факторів, які за впливом можна поділити на три групи. Перша група факторів характеризує зміну навантажень від колісних пар на рейкову колію, друга - умови зчеплення колеса з рейкою, третя - розбіжність обертальних моментів тягових електродвигунів.

Перерозподіл статичних навантажень від колісних пар на рейки характеризується коефіцієнтом використання зчіпної ваги локомотива, зміна якого від дії експлуатаційних факторів і конструктивних параметрів локомотива подана.

від конструктивних (а) та експлуатаційних (б) параметрів локомотива:

а - Дзк1 - відстань від центру візків до зовнішніх опор; Дзк2 - пружний поздовжній зв'язок; Дзк3 - оптимальне відношення твердості першого та другого ступеня ресорного підвішування; Дзк4 - база візка; Дзк5 - кут нахилу повідців до горизонталі; Дзк6 - відстань між першою та другою колісними парами; Дзк7 - вага кузова; Дзк8 - вага візка; Дзк9 - розташування ТЕД; Дзк10 - вид зв'язку рами візка з колісною парою; Дзк11 - розташування шворневого шарніра над площиною головки рейки; Дзк12 - відстань від центру візка до внутрішніх опор локомотива;

б - Дзе1 - зміна ваги першої колісної пари; Дзе2 - зміна ваги кузова через витрату екіпірувальних матеріалів; Дзе3 - зусилля довантажувального пристрою; Дзе4 - жорсткість першої ступені ресорного підвішування; Дзе5 - жорсткість другої ступені ресорного підвішування; Дзе6 - сила тертя фрикційного гасителя коливань; Дзе7 - жорсткість деталей, які приєднують гаситель до букси; Дзе8 - жорсткість крайніх опор другого ступеня ресорного підвішування; Дзе9 - жорсткість усіх опор другого ступеня ресорного підвішування; Дзе10 - кероване ресорне підвішування; Дзе11 - частота збурювань від дії постійних і змінних складників сил тяги; Дзе12 - зношування бандажа першої колісної розподіл навантажень від колісних пар на рейки знижує величину коефіцієнта зчеплення. Відповідно до досліджень, проведених під керівництвом проф. О.Л. Голубенка, коефіцієнт зчеплення під різними колісними парами може відрізнятися в межах 6 - 40% у залежності від забруднення й температури в контакті коліс локомотива з рейками, мікрошорсткості та мікрорельєфу взаємодіючих поверхонь колеса та рейки, їхнього профілю. На основі проведеного аналізу розглянуто можливість підвищення зчеплення колеса з рейкою за рахунок електризації абразивного сипучого матеріалу.

Установлено, що на тягові якості локомотива негативно впливає розбіжність обертальних моментів ТЕД за колісними парами, яка згідно з чинними стандартами знаходиться в межах .

У другому розділі на основі цільової функції, що відображає взаємозалежність основних факторів, які впливають на реалізовану силу тяги, розроблено метод підвищення тягово-зчіпних якостей локомотива за рахунок керування навантаженням від колісних пар на рейки, селективного підбору електромеханічних характеристик ТЕД за колісними парами з урахуванням нерівномірності коефіцієнта зчеплення кожної колісної пари, що забезпечує мінімізацію ковзання в контакті колеса з рейкою (мінімізацію витрат потужності на тертя в контакті):

де кількість осей локомотива, обертальний момент ТЕД окремої колісної пари, який залежить від частоти обертання , магнітного потоку , сили струму ТЕД, довжини та опору струмопроводів, відхиляння обертального моменту тягового електродвигуна від номінального значення в межах допуску на його відхиляння; передаточне число тягового редуктора, ККД тягового редуктора, діаметр колеса, вертикальне навантаження на вісь, яке залежить від статичного та динамічного перерозподілу навантажень, конструктивних параметрів локомотива та експлуатаційних факторів ; максимальний коефіцієнт зчеплення, який досягається при критичному ковзанні .

У третьому розділі для визначення впливу основних конструктивних та експлуатаційних факторів на перерозподіл навантажень удосконалено математичну модель для визначення коефіцієнта використання зчіпної ваги локомотива, яка враховує жорсткість ресорного підвішування першої та другої ступені, вплив довантажувальних пристроїв і фрикційних гасителів коливань, зміну в процесі експлуатації діаметра бандажів, ваги колісної пари та ваги кузова від витрати екіпірувальних матеріалів, розважування локомотива.

За результатами статичного моделювання та планування експерименту (комп'ютерні програми - авторські посвідчення № 31722, № 33741) отримано рівняння регресії:

- для маневрових локомотивів типу ТЕМ103:

- для магістральних локомотивів типу тепловоза 2ТЭ116:

де вага першої колісної пари; вага екіпірувальних матеріалів; жорсткість першого ступеня ресорного підвішування; жорсткість другого ступеня ресорного підвішування; радіус колеса локомотива, сила тертя фрикційного гасителя коливань.

Загальний негативний вплив зміни експлуатаційних факторів на коефіцієнт використання зчіпної ваги для магістральних локомотивів типу 2ТЭ116 склав 8,5 %, для маневрових локомотивів типу ТЕМ103 - 2,4%.

Невідповідність коефіцієнта використання зчіпної ваги нормативним вимогам запропоновано компенсувати установкою довантажувального пристрою між кузовом локомотива та візком. Ефективність даного рішення підтверджується підвищенням коефіцієнта використання зчіпної ваги на 6,8%. Також запропоновано у першій ступені ресорного підвішування замінити фрикційні гасителі коливань на гідравлічні. У зв'язку зі зміною вертикальних навантажень від колісних пар на рейки в процесі експлуатації зусилля довантажувального пристрою необхідно змінювати в 1,2 раза для маневрових локомотивів і в 1,9 раза - для магістральних.

У четвертому розділі виконані теоретичні та експериментальні дослідження стосовно ефективності використання електризованого абразивного сипучого матеріалу в контакті колеса з рейкою для підвищення зчеплення.

Визначення електричного заряду частинок засновано на теоретико-експериментальних дослідженнях за розробленою методикою (рис. 2), яка включає встановлення величини електричного заряду від напруженості електричного поля (4) з системи диференційних рівнянь (5):

Рис. 2. Схема розрахунку електричного заряду частинок

тяговий локомотив електродвигун

На основі імітаційного моделювання руху абразивного сипучого матеріалу, яке базується на методі частинок, описано процес електризації абразивного сипучого матеріалу, вибрані параметри основних вузлів піскової системи для підвищення ефективності її роботи.

У результаті моделювання встановлено залежності (рис. 3) електричного заряду q сипучого абразивного матеріалу, кута б і радіуса розсипки піску r від напруги, що подається на заряджальний пристрій. Дані залежності показують, що зі збільшенням подавної напруги U (від 0 В до 600 В) радіус розсипки змінюється в межах - 0 - 48 мм, кут розсипки - 0 є - 95є, величина електричного заряду - 0 - 20 пКл. Для досягнення ефективного розподілу піску по поверхні рейки величина напруги, що подається на заряджальний пристрій, має дорівнювати 450 В. При цьому електричний заряд піщин складає 1,502·10-11 Кл (15 пКл).

Результати розрахунку показали, що при русі локомотива зі швидкістю вищою за 3,8 км/год, на розподіл піску по рейці значний вплив має сила опору повітря від руху локомотива й бічного вітру. Для досягнення необхідного розподілу піску на поверхні рейки електрична напруга повинна збільшуватися з підвищенням швидкості повітряних мас. Наприклад, при швидкості руху локомотива 11 км/год електрична напруга повинна збільшитися в 1,78 раза.

Вплив довантажувальних пристроїв на пляму контакту колеса з рейкою та електризації абразивного сипучого матеріалу на зчіпні якості локомотива оцінювався на математичній моделі фрикційної взаємодії колісної пари з рейковою колією. Встановлено, що застосування довантажувальних пристроїв дозволило збільшити номінальну площу плями контакту колеса з рейкою на 12,83%.

Визначення вертикальних зусиль у центрах одиночних елементів контакту виконується випадковим способом за розробленим алгоритмом:

; ;

,

,

де - номер кроку, - номер одиночного елемента; величина зусилля в одиночному елементі на кроці; скореговане відповідно до рівняння ; коефіцієнт, який визначає вплив зусилля на відносний прогин у точці поверхні контактувальних тіл.

Ефективність запропонованого методу визначення навантажень зумовлена підвищеною ймовірністю знаходження рішення на кожному кроці, аніж при послідовному обході всіх комірок. Кількість ітерацій при цьому скорочується до 2 - 4, а час, витрачений на розв'язання задачі з точністю 1%, скорочується на 20 - 25%.

Відповідно до експериментальних випробувань, проведених на вдосконаленій машині тертя, подавання електризованого піску на замаслені рейки дозволяє підвищити коефіцієнт тертя в контакті з 0,25 до 0,4 (рис. 4), а на рейки, покриті водою, - з 0,35 до 0,5 (рис. 5). У порівнянні з подачею неелектризованого піску коефіцієнт зчеплення для замаслених рейок підвищується на 16%, для покритих водою - на 20%.

Характеристики зчеплення, отримані при розв'язанні тангенціальної задачі, свідчать про те, що при подачі електризованого піску на рейки, политі водою, коефіцієнт зчеплення підвищується на 20,5%, при зменшенні ковзання - на 31,25%. При подачі електризованого піску на замаслені рейки коефіцієнт зчеплення підвищується на 10%, а ковзання зменшується на 21,48%.

У п'ятому розділі доведено техніко-економічну ефективність запропонованих технічних рішень і способів підвищення тягово-зчіпних якостей локомотивів.

На основі проведених розрахунків за цільовою функцією встановлено, що при селективному підборі ТЕД для кожної колісної пари маневрового тепловоза ТЕМ103 силу тяги локомотива можна підвищити на 4,8%, а магістрального тепловоза 2ТЭ116 - на 6,5%. Застосування впровадженого на маневровому локомотиві ТЕМ103-001 довантажувального пристрою дозволяє підвищити силу тяги локомотива на 4,4%, відповідно, загальну силу тяги для даного типу локомотива - на 9,2%.

Запропоновано конструкції піскової системи локомотива, що базується на трибостатичній і електростатичній зарядці піску та дозволяють підвищити зчеплення в контакті колеса з рейкою за рахунок електризації частинок піску та його розташування на поверхні рейки в один шар. Подавання в контакт електризованого абразивного матеріалу дозволяє зменшити витрату піску в 25 разів. Економія піску на парк локомотивів за один рік складатиме 42471 грн.

За результатами теоретичних та експериментальних досліджень розроблено низку запатентованих технічних рішень щодо стендового обладнання, які дозволяють забезпечити ідентичність фізичних процесів реального контакту, оригінальних конструкцій піскової системи локомотива (піскоструминне оброблення контакту в процесі експлуатації, оброблення взаємодійних поверхонь трибосистеми “колесо-рейка” сухим льодом), системи перерозподілу навантажень від колісних пар на рейки для досягнення необхідного, відповідно до нормативів, значення коефіцієнта використання зчіпної ваги локомотива.

Висновки

Дисертаційна робота містить отримані автором результати, які в сукупності вирішують актуальне науково-технічне завдання підвищення тягово-зчіпних якостей локомотивів управлінням ковзанням у контакті колеса з рейкою, що дозволило підвищити ефективність використання локомотива та зменшити витрати піску. На основі проведеного теоретичного і експериментального дослідження отримані такі результати й висновки:

1. На основі комплексного аналізу конструктивних параметрів локомотива та експлуатаційних факторів розроблено цільову функцію для оцінювання тягово-зчіпних якостей локомотива та визначення з урахуванням взаємозв'язку основних факторів, які впливають на силу тяги, ефективних технічних рішень щодо вдосконалення екіпажної частини локомотива. Запропоновано селективний підбір ТЕД за колісними парами локомотива з урахуванням різниці навантажень та умов стосовно зчеплення окремих колісних пар.

2. На основі статичного моделювання та планування експерименту отримано рівняння регресії й оцінено вплив експлуатаційних факторів на коефіцієнт використання зчіпної ваги. Сумарний негативний вплив експлуатаційних факторів на тягові якості маневрових локомотивів типу ТЕМ103 склав 2,4%, а магістральних локомотивів типу 2ТЭ116 - 8,5 %. Тому зусилля довантажувального пристрою в процесі експлуатації необхідно змінювати в 1,2 раза - для маневрових локомотивів і в 1,9 раза - для магістральних локомотивів.

3. Застосування довантажувального пристрою на тепловозі ТЕМ103 дозволяє підвищити коефіцієнт використання зчіпної ваги на 6,8%. Паралельне впровадження довантажувального пристрою та селективного підбору ТЕД за колісними парами локомотива збільшує силу тяги на 9,2%.

4. На основі розв'язання нормальної задачі встановлено, що застосування довантажувального пристрою підвищує площу плями контакту на 12,83%. Удосконалення методу розв'язання нормальної задачі математичної моделі фрикційної взаємодії колеса з рейковою колією завдяки зменшенню необхідної кількості ітерацій для досягнення заданої точності розрахунку дозволило скоротити витрати часу на 20 - 25%.

5. На основі імітаційного моделювання отримано залежність електричного заряду піщин, радіуса й кута розсипки піску від напруги, що подається в зарядний пристрій. Установлено, що для ефективного розташування частинок абразивного сипучого матеріалу на поверхні рейки необхідна електрична напруга 450 В, а величина електричного заряду - 1,502·10-11 Кл.

6. Отримані на модернізованій стендовій установці “Машина тертя” експериментальні залежності коефіцієнта тертя від температури за наявності в контакті електризованого піску доводять доцільність використання електризації - подавання електризованого піску в контакт, оброблений водою, у порівнянні з неелектризованим дозволяє підвищити коефіцієнт зчеплення на 20,5%, а ковзання зменшити на 31,25%. Перевага застосування електризованого піску на забрудненому маслом контакті перед не електризованим піском є зростання коефіцієнта зчеплення на 10% і зменшення ковзання на 21,48%.

7. Використання модернізованої піскової системи дозволяє за рахунок електризації зменшити витрати піску в 25 разів. Економія піску на парк локомотивів за один рік складатиме 42471 грн.

8. Запропонований довантажувальний пристрій та заміна фрикційних демпферів у першій ступені ресорного підвішування гідравлічними впроваджено на маневровому тепловозі ТЕМ103-001 ВАТ “ХК “Лугансктепловоз”.

9. Удосконалене стендове обладнання дозволяє підвищити точність експериментальних даних, ураховуючи параметри шляху й очищення рейок колесами, що йдуть попереду.

Список опублікованих праць

1. Горбунов Н.И. Использование методов теории принятия решений при создании транспортных средств / Н.И. Горбунов, А.Л. Кашура, С.В. Попов, Е.А. Кравченко, А.И. Фесенко // V Всероссийская научно-техническая конференция. Политранспортные системы. Красноярский государственный технический университет. - Красноярск, 2007. - С. 14 - 21.

2. Горбунов Н.И. Пути решения проблемы повышения тяговых качеств локомотивов / Н.И. Горбунов, А.Л. Кашура, С.В. Попов, Е.А. Кравченко, А.И. Фесенко // Международный информационный научно-технический журнал “Локомотивинформ”, № 5, 2008. - С. 8-11.

3. Горбунов Н.И. Повышение тяговых свойств локомотивов за счет усовершенствования связей кузова с тележками / Н.И. Горбунов, Е.А. Кравченко, С.Г. Грищенко, Ю.Ю. Осенин // Сборник научных трудов VIII Международной конференции “Трибология и надежность”, (23 - 25 октября 2008 г., г. Санкт-Петербург, Россия). - Санкт-Петербург, 2008. - С. 18 - 29.

4. Горбунов Н.И. Креативное решение по повышению тягово-экономических качеств локомотива / Н.И. Горбунов, Е.А. Кравченко, М.В. Ковтанец, Е.С. Ноженко // Зб. наук. праць. - Харків: УкрДАЗТ, 2008. - Вип. 99. - С. 20 - 28.

5. Горбунов Н.И. Оценка тяговых качеств локомотива / Н.И. Горбунов, Е.А. Кравченко, С.В. Попов, А.И. Фесенко, В.А. Слащев, А.М. Морозов, М.В. Ковтанец, В.П. Гундарь // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, № 4 (134). Частина 1. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2009. - С. 79 - 86.

6. Горбунов М.І. Комп'ютерне програмування для прогнозування тягових та гальмівних якостей локомотива / М.І. Горбунов, К.О. Кравченко, М.А. Крисанов, М.В. Ковтанець, О.В. Кочура // Вісник Житомирського державного технологічного університету № 1(48). - Житомир: ЖДТУ, 2009. - С. 138 - 144.

7. Горбунов Н.И. Обоснование перспективных методов улучшения взаимодействия фрикционной пары “колесо-рельс” / Н.И. Горбунов, Е.А. Кравченко, С.В. Попов, В.Д. Черников, М.В. Ковтанець // Сборник докладов XV научно-технической конференции “Транспорт, экология - устойчивое развитие”. 21 - 23 мая, 2009 г.- Варна: Изд-во ТУ, 2009. - С. 331 - 338.

8. Горбунов Н.И. Повышение технико-экономической эффективности фрикционного взаимодействия колеса с рельсом / Н.И. Горбунов, Е.А. Кравченко, С.В. Попов, М.В. Ковтанец, В.С. Ноженко // Сборник научных трудов IX Международной конференции “Трибология и надежность” (8-10 октября 2009 г., г. Санкт-Петербург, Россия). - Санкт-Петербург, 2009. - С. 165 - 174.

9. Кравченко Е.А. Повышение энергетической эффективности локомотивов улучшением его сцепных качеств / Е.А. Кравченко // Материалы 5-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики “Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и енергетики” (28 - 30 октября 2009 г., г. Тула, Россия) / Т 2 - Тула: ТулГУ, 2009. - С. 244 - 250.

10. Кравченко Е.А. Усовершенствование испытательно-измерительного комплекса для исследования сцепления колеса с рельсом / Е.А. Кравченко // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. Науковий журнал - електронне наукове фахове видання, № 4, 2009. - Режим доступа : http://www.nbuv.gov.ua/e-journals/vsunud/2009-4E/09keaksr.htm -- Дата доступа : 01.05.2010.

11. Горбунов Н.И. Пути решения проблемы повышения тягово-сцепных и динамических качеств локомотивов / Н.И. Горбунов, Е.А. Кравченко, В.А. Левандовский, В.И. Нестеренко, М.В. Ковтанец, В.С. Ноженко // Международный информационный научно-технический журнал “Локомотивинформ”, № 5, 2010. - С. 38 - 41.

12. Горбунов Н.И. Повышение эффективности эксплуатации тягового подвижного состава / Н.И. Горбунов, А.И. Костюкевич, Е.А. Кравченко, А.И. Фесенко // Наукові вісті Далівського університету. Електронне наукове фахове видання. № 1, 2010. - Режим доступа : http://www.nbuv.gov.ua/e-journals/Nvdu/2010_1/10gnitps.htm -Дата доступа : 01.05.2010.

13. Горбунов Н.И. Моделирование движения песка в системе “форсунка песочницы - рельс” / Н.И. Горбунов, А.И. Костюкевич, А.Л. Кашура, Е.А. Кравченко, В.П. Гундарь, Ю.Ю. Осенин // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля: в 2 - х ч. Ч.1. - Луганськ: СНУ ім. В. Даля, 2010. - № 5(147) - С. 20 - 27.

14. Деклараційний патент на корисну модель № 31716, кл. G01M 1/04. Стенд для дослідження зчеплення колеса з рейкою та випробування елементів буксового ресорного підвішування залізничного рухомого складу / Горбунов М.І., Кашура О.Л., Попов С.В., Кравченко К.О., Кашура М.О., Осенін Ю.Ю. - № u200711414 заявл. 15.10.2007, опубл. 25.04.2008, бюл. № 8. - 12 с.

15. Деклараційний патент на корисну модель № 40536 кл. G01N3/40. Машина тертя для визначення фрикційних властивостей контакту “колесо-рейка” / Горбунов М.І., Кравченко К.О., Костюкевич О.І., Кашура О.Л., Попов С.В., Фесенко А.І., Ноженко О.С., Черніков В.Д., Осенін Ю.Ю. - № u200814035, заявл. 05.12.2008, опубл. 10.04.2009, бюл. № 7. - 6 с.

16. Патент України № 87915, кл. B61C 15/00. Довантажуючий пристрій / Горбунов М.І., Кашура О.Л., Кравченко К.О., Попов С.В., Догадін В.О., Богопольський Є.М., Осенін Ю.Ю. - № a200713628, заявл. 06.12.2007 р., опубл. 25.08.2009, бюл. № 16. - 4 с.

17. Деклараційний патент на корисну модель № 48520, кл. В61С 15/00. Спосіб підвищення зчеплення колеса з рейкою / Горбунов М.І.; Кравченко К.О.; Попов С.В., Ковтанець М.В., Осенін Ю.Ю. - № u200908751, заявл. 20.08.2009 р.; опубл. 25.03.2010, бюл. № 6. - 6 с.

18. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на комп'ютерну програму № 31722 від 21.01.2010. Комп'ютерна програма “Планування експерименту для залізничного транспорту” / Горбунов М.І., Кравченко К.О., Крисанов М.А.

19. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на комп'ютерну програму № 33741 від 16.06.2010. Комп'ютерна програма “Програма для оцінки тягових якостей локомотивів” / Горбунов М.І., Кравченко К.О., Фесенко А.І., Крисанов М.А.

20. Размещено на Allbest.ru