Обґрунтування підвищення довговічності дизелів спеціального самохідного рухомого складу залізниць при прискоренні процесу припрацювання

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Обґрунтування підвищення довговічності дизелів спеціального самохідного рухомого складу залізниць при прискоренні процесу припрацювання

Мямлін С.В., д.т.н., професор (ДНУЗТ ім. В. Лазаряна)

Барановський Д.М., к.т.н., доцент (КНУ ім. М. Остроградського)

Вступ

Спеціальний самохідний рухомий склад (ССРС) займає одне з головних місць на залізниці, який постійно повинен бути у готовності [1]. Для забезпечення останнього необхідно мати високі показники надійності і довговічності їх дизелів, на які, значний вплив здійснюють процеси припрацювання на етапах введення ССРС в експлуатацію та після КР.

Процес зносу трибосистем (ТС) дизелів звичайно відбувається в три стадії [2]. На першій стадії здійснюється припрацювання, що займає невеликий відрізок часу, при цьому спостерігається нестаціонарний режим зносу з високою, але поступово затухаючою швидкістю зношування. Друга стадія є найтривалішою, відбувається стабілізація процесу зношування, швидкість зношування невелика і приблизно однакова. Ця ділянка характеризує нормальну роботу вузла після припрацювання.

Відповідно до роботи [3], запишемо інтенсивність зношування ТС дизелів ССРС без врахування модифікування в наступному вигляді:

(1)

Тоді, в процесі припрацювання буде справедливий вираз для інтенсивності зношування ТС дизелів:

(2)

В цьому випадку можна записати нерівність:

.(3)

Вказана нерівність свідчить, що ТС дизелів в процесі припрацювання намагаються зменшити та досягти майже постійної інтенсивності зношування, тобто відбувається процес пристосування в ТС.

Аналіз попередніх досліджень

Принцип пристосування є особливим процесом в положеннях динаміки структурної пристосованості [4], а поняття динамічної рівноваги ТС за її багатьма положеннями підкорюється принципу найменшої взаємодії (беззношуваність є частковим проявом принципу надійності).

Обґрунтування принципу найменшої взаємодії в теорії структурної пристосованості матеріалів в процесі тертя привело до виникнення питання про конкретний зміст поняття мінімальної взаємодії.

Положимо, що у взаємодіючій системі є універсальний "стабілізатор", який безпосередньо слідкує за зміною внутрішніх параметрів та за впливом середовища, коли зміна прискорюється. Задача взаємодії з середовищем зводить до формулювання й виконання таких взаємодій, включаючи і хімічні реакції, які забезпечують стабілізацію зовнішніх впливів на вторинні структури ТС.

Запишемо рівняння балансу ентропії для локальної області (місцева термодинамічна рівновага).

,(4)

де - швидкість притоку ентропії в дану область;

div S - швидкість відтоку ентропії з даної області в навколишнє середовище;

- швидкість приросту ентропії даної внутрішньої області.

В процесі деформації, в поверхневих шарах ТС дизелів активізуються самоорганізуючі дисипативні процеси, в результаті яких утворюється впорядковані структури. В результаті кінетичного фазового переходу від консервативного руху дислокацій до переповзання в процесі тертя відбувається вихід дислокацій на поверхню, яка наповнена вакансіями. Вихід дислокацій залежить від швидкості взаємного переміщення, контактного тиску та температури. Із ТС безперервно "відкачується" ентропія, що утворюється в результаті взаємодії сполучених поверхонь тертя.

Результати проведеного аналізу показують, що для досягнення беззношуваності поверхневих шарів ТС необхідно забезпечити насиченість поверхні вакансіями, високу густину рухомих дислокацій та позбутися нерухомих дислокацій. В процесі припрацювання такий процес частково проявляється.

При взаємодії поверхневих шарів сполучених елементів ТС дизелів після припрацювання відбувається необоротний вихід дислокацій на поверхню, внаслідок чого відбувається інтенсивна дисипація енергії.

Для досягнення ТС дизелів динамічного стаціонарного стану з протіканням квазібеззношеного тертя повинно бути додержано умови .

При застосуванні нормального закону розподілу, коли випадкова величина , то максимальне значення ресурсу, згідно роботи [5

,(5)

рівносильне мінімізації частинної інформаційної ентропії , к = 1, 2, ..., n.

Метою роботи є обґрунтування підвищення довговічності дизелів ССРС залізниць при прискоренні процесу припрацювання з позицій термодинамічного аспекту.

Результати досліджень

Оскільки та в ТС дизелів ССРС завжди існує така організація ансамблевих структур зі структурною ентропією , яка забезпечує найдовше надійне функціонування ТС. Такі структурно-функціональні перебудови та збереження оптимального структурного стану, який забезпечується постійною витратою вільної енергії, призводять до постійного виробництва термодинамічної ентропії.

Принцип максимальної надійності є провідним, який має і регулюючих визначених значень в структурно-функціональній перебудові ТС, що підкоряється ІІ закону термодинаміки.

Організація структурних складових в поверхневому шарі з позиції кібернетики [4] являє собою розподіл ансамблів елементів, який складається з і чинників, кожний з яких розв'язує свої локальні задачі додержуючись наступного принципу максимальної надійності ТС дизелів ССРС залізниць. Випадкові зміни локальних умов визначають імовірнісну участь елементів в конкретних ансамблях і, кожний знаходиться у врівноваженні з навколишнім локальним середовищем та являє собою об'єкт багатоканального регулювання, що складається з і - одночасно функціонуючих окремих елементів.

Метою функціонування - максимізувати функцію окремих елементів та функцію залишкового ресурсу.

Всі ансамблі складають структуру ТС дизелів, тобто елементарний об'єм також являє об'єкт з багатозв'язковим регулюванням. Причому просторова орієнтація ансамблів залежить від умов взаємодії і елементів із середовищем. З урахуванням вищевикладеного проведемо фізичний аналіз трансформації структурного стану ТС в процесі припрацювання сполучень дизелів ССРС залізниць.

Нехай ансамбль іj з i однотиповими елементами складається з j одноточкових елементів, кінетика трансформаційних процесів в яких підкоряється деякому стохастичному диференціальному рівнянню:

,(6)

де j - енергетичний стан; ; ;

- миттєві значення внутрішньої накопиченої енергії j, причому функція описує швидкість накопиченої внутрішньої енергії, а функція описує її розсіювання.

Елемент, що достатньо довгий час працює в певному ансамблі в процесі припрацювання намагається прийти в часі до постійної динамічності стаціонарного стану:

, ,(7)

тобто:

.(8)

Випадкова величина визначає інтенсивне функціонування к-го елементу (), що входить в ансамбль .

Працездатність кожного елементу ТС дизелів збільшується, а інтенсивність роботи к-го елементу в процесі припрацювання знаходиться в проміжку часу (t0 - t), тому буде справедлива нерівність:

,(9)

яка викликає тільки нерівномірне і нестійке функціонування:

, (10)

яке призводить до моменту закінчення припрацювання, тобто до нормальної роботи ТС дизелів.

З іншого боку, можна стверджувати, що зі збільшенням нестійкого функціонування і тривалості роботи елемента зменшується надійність його роботи.

Тому можна вважати, що функція надійності елементів, що входять в ансамбль, має вигляд:

, (11)

яка відображає ймовірність безвідмовної роботи к-го елементу із ансамблю і з моменту утворення t0 до моменту часу припрацювання t.

Якщо позначити через інтенсивність функціонування ансамблю, то в якості функції надійності роботи ансамблю по аналогії з виразом (11) можна записати:

,(12)

де - ймовірність безвідмовної роботи всіх елементів ансамблю і.

Утворення ансамблів елементів підкоряються правилу суперадитивності, згідно якого, в даному випадку, надійність роботи елементів, сполучених у великі ансамблі, збільшується за рахунок зменшення навантаження на кожний з них, тобто виконується співвідношення:

,(13)

якщо і t0 - достатньо велика і нерівна нулю стала часу (коли припрацювання відбувається в процесі експлуатації).

З виразів (9)-(13) випливає, що якщо утворення ансамблів елементів структури ТС дизелів підкоряється правилу суперадитивності, то реорганізація ансамблевих структур є основою для закінчення процесу припрацювання.

Подрібнення ансамблів може викликати збільшення інтенсивності функціонування елементів за рахунок збільшення сили тиску, швидкості чи температури. Це в свою чергу приведе до зниження надійності функціонування елементів, взаємодіючих з подрібненими ансамблями.

Укрупнення ансамблів в структурі ТС дизелів під час припрацювання, в першу чергу, передбачає збільшення надійності елементів в них, яке досягається шляхом зниження навантаження на кожний елемент.

В роботах [4, 6] відмічається, що підхід структурної організації ТС до метафрагментованих структур комірчастого типу завжди супроводжується збільшенням зносостійкості (надійності), тобто в цей час наступає нормальна робота ТС дизелів ССРС залізниць.

В нашому випадку регулюючим параметром закінчення процесу припрацювання є структурна організація ансамблевих структур, що регулює густини рухомих дислокацій та вакансій, які знаходяться в поверхневих шарах ТС дизелів (вирази (1), (2)).

Якщо виконується умова (13), то співвідношення (12) з урахуванням введення цілочисельних функцій можна записати наступним чином:

довговічність дизель рухомий трибосистема

, (14)

яке характеризує надійність ТС дизелів у цілому.

При цьому використовується те, що активність окремого ансамблю і в колективі таких ансамблів, з яких складається елементарний об'єм в структурі ТС дизелів, статично еквівалентний середньому по системі.

Структури ТС завжди намагаються мати таку організацію, яка мала б максимальну функцію надійності при умові постійності інтенсивності поглинання і розсіювання внутрішньої енергії на заданому рівні при умові:

;(15)

, (16)

чи

,(17)

що відповідає конкретним умовам зовнішнього середовища: .

Умова максимальної надійності врівноваженої нестійкості функціонування ТС дизелів дає можливість твердити:

.(18)

Враховуючи теореми про математичне очікування і дисперсії, справедливе співвідношення:

. (19)

Оскільки функціонал W(v) є опуклою функцією, існує оптимальний план , який мінімізує функціонал (19).

Якщо врахувати структурну ентропію, то з виразу (19) слідує, що для кожної умови зовнішнього середовища існує оптимальна організація ансамблів елементів ТС дизелів з структурною ентропією , яка максимізує функцію надійності (14) при вищенаведеній умові.

Очевидно, що для кожної зміни умови середовища існує, також, нова оптимальна організація ймовірностей ансамблів ТС зі структурною ентропією . При встановленні нової організації системи під впливом нових умов зовнішнього середовища, змінюється просторовий розподіл локальних умов навантаження елементів структури, з якими знаходяться у рівновазі конкретні ансамблі.

Якщо (і = ), то різниця між стаціонарним станом з позиції початкової організації може бути виражено через кількість інформації за Кульбаку С [6]:

.(20)

Враховуючи, що є достатнє число елементів в ансамблі структури ТС дизелів, отримаємо:

. (21)

Звідси випливає, що:

,(22)

тобто відношення часток ансамблів і ТС до і після припрацювання дорівнює відношенню інтенсивності їх роботи в цих же умовах.

Результати експериментальних досліджень [2, 5] показують, що процес припрацювання проходить через рівень дезорганізації з наступною новою організацією структури.

Таким чином, на І етапі роботи (припрацювання), адаптація до нових умов зовнішнього середовища (роботи) система дезорганізується і її ентропія досягає величини

,(23)

де к - деякий коефіцієнт пропорційності.

На ІІ етапі роботи, адаптація ТС дизелів установлює нову організацію ймовірностей ансамблів і, яка оптимально відповідає новим умовам зовнішнього середовища (роботи) в розумінні принципу максимуму надійності.

Величина при к=1 дорівнює структурній ентропії:

(24)

і являє собою "корисну" інформацію про структурну перебудову в поверхневих шарах ТС дизелів ССРС залізниць.

Таким чином, реорганізація ансамблевих структур є процесом припрацювання ТС дизелів ССРС залізниць.

Висновки

Розглядаючи поверхневий шар в неоднорідному фізичному полі, яке визначається потенціалом густини дислокацій з урахуванням особливостей роботи ТС дизелів ССРС залізниць після процесу припрацювання, слід відмітити, що неоднорідність розподілу дислокацій приводить до відхилення від стану термодинамічної рівноваги і є причиною виходу дислокацій на поверхню, які заміщають вакансії, а також виникнення потоків переносу в припрацьованих поверхневих шарах ТС, які мають кінцевий об'єм в зоні контакту і обмежені поверхнею. Тобто прискорення припрацювання ТС надасть перспективи по підвищенню довговічності дизелів ССРС залізниць.

Ефективність розробок, що стосуються триботехнічних матеріалів передусім визначається їх властивістю та промисловим застосуванням. Важлива роль, при цьому, належить триботехнічним характеристикам, які виконують функції параметру оптимізації при розробці технологій і основного критерію при виборі матеріалів для ТС дизелів ССРС залізниць для прискорення процесу їх припрацювання.

Список літератури

1. Мямлин С.В. Моделирование динамики рельсовых экипажей. - Д.: Новая идеология, 2002. - 240 с.

2. Барановський Д.М. Підвищення ресурсу дизелів при прискоренні процесу припрацювання // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2009. - №6/1(42). - С. 47-50.

3. Барановський Д.М. Теоретичне обґрунтування зниження інтенсивності зношування трибосистем дизелів // Вісник Донецької академії автомобільного транспорту. - 2010. - № 1. - С. 62-66.

4. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций М.: Мир, 1973. - 273 с.

5. Барановський Д.М. Визначення залишкового ресурсу трибосистем // Проблеми трибології. - 2009. - №4. - С. 127-129.

6. Г. Хакен. Синергетика. - М.: Мир, 1980.

Размещено на Allbest.ru