Технические науки / 4. Транспорт

К.т.н. П.В. Харламов

федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» Россия, г. Ростов-на-Дону,

РАЗРАБОТКА СИСТЕМ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ

МОБИЛЬНЫХ ФРИКЦИОННЫХ СИСТЕМ

Практически любая машина или механизм является фрикционной механической системой, то есть она состоит из линейной части механической подсистемы и существенно-нелинейной подсистемы (фрикционный контакт) [1].

Наиболее сложно и трудоемко оптимизационные триботехнические задачи решаются для мобильных фрикционных систем, к которым относятся железнодорожный, автомобильный, воздушный и водный транспорт. Сложная трех-координатная динамика, связанная с движением этих систем, жесткие требования, предъявляемые к мобильным системам с точки зрения их надежности и безопасности, большие габариты, широкие диапазоны температур окружающей среды. Вышеназванные и также специфические особенности параметров и условий эксплуатации транспортных фрикционных механических систем позволяют выделить их в особую группу. Надежность, долговечность и эффективность данных систем в основном зависит от надежности, долговечности и эффективности таких узлов трения как гасители колебаний, «колесо – рельс», тормоза, муфты сцепления, опоры качения или скольжения, зубчатые зацепления и так далее [2].

Основной задачей методов и методик лабораторных исследований фрикционных систем (ФС) является обеспечение идентичности основных ведущих выходных трибохарактеристик (вида износа и его интенсивности, коэффициента трения и его стабильности и т. д. При этом необходимо учитывать, что трение является комплексным процессом физико-химической механики, на которые оказывают существенное влияние тепловая динамика, а также взаимосвязь с динамическими процессами, протекающими в механической системе [4, 5].

Для получения идентичных выходных трибохарактеристик мобильных фрикционных систем в модельных и натурных условиях, согласно предлагаемой методики, необходимо [6, 7,8]:

- обеспечить идентичность динамических характеристик всех подсистем натуры и модели ФС;

- создать условия необходимые для идентичности протекания процессов трения, изнашивания;

- обеспечить идентичность физико-механических и геометрических характеристик контактируемых поверхностей и «третьего тела»;

- обеспечить идентичность термодинамических процессов, протекающих на фрикционных контактах;

- учитывать взаимовлияние динамических процессов, протекающих на фрикционных контактах и в механических системах.

Процессы трения нелинейно и неоднозначно (явление бифуркации) зависят от 40-50 факторов. Системы влияния этих факторов меняются в зависимости от конкретных условий. Второстепенные для одних случаев факторы являются ведущими для других условий.

Поэтому для решения той или иной триботехнической задачи в качестве исследуемых варьируемых выбираются ведущие для этих условий факторы, от которых в наибольшей степени зависят контролируемый параметр, например, интенсивность изнашивания. Но при этом никакие факторы не отбрасываются, процессы трения исследуют путем натурного эксперимента с учетом их комплексной зависимости от физико-химической природы явлений, происходящих на контакте и термотрибодинамики, с учетом основополагающих трибологических законов трения и изнашивания контактирующих материалов, например, реализации «третьего тела» по И.В. Крагельскому [9] и постулату П.А. Ребиндера [10], по которому трение является комплексным процессом физико-химической механики.

Одной из определяющих выходных характеристик фрикционного взаимодействия твердых тел является так называемая фактическая площадь касания (ФПК). Данная характеристика определяет нагрузочный режим фрикционного взаимодействия, определяя предельные уровни нормального давления на контактирующие поверхности, а значит и основные выходные трибохарактеристики. Например, максимальная нагрузка на ось колесной пары локомотива определяется материалами колеса и рельса, а так же значением ФПК. В свою очередь, от нагрузки на ось напрямую зависит основной эксплуатационный показатель локомотива – тяговое усилие. ФПК определяет и величину максимальной объемной температуры на фрикционном контакте. Образующийся от фрикционного взаимодействия поток тепловой энергии проходит через контактирующие между собой микронеровности. Минимальное сечение вышеназванного теплопроводящего канала равно ФПК, и оно, соответственно, определяет максимальную объемную температуру контактирующих тел. Данная максимальная объемная температура трибоконтактов определяется при стремлении к нулю их высоты (h) и градиента объемной температуры DQ⁰C, т.е. Dh®0; DQ⁰C®0.

На сегодняшний день невозможно представить, методику оптимизации, которая бы единым образом отображала решения, приемлемые для фрикционных муфт, тормозов, контакта колеса с рельсом и других фрикционных подсистем, являющихся составными частями единой фрикционной механической системы «подвижной состав - верхнее строение пути» (ПС-ВСП). В процессе взаимодействия колес подвижного состава с рельсами возникает нелинейная силовая связь, которая замыкает две динамические подсистемы ПС и ВСП. На базе фундаментальных исследований в области трибологии, динамики, физики твердого тела были разработаны теоретические основы создания физико-математических моделей фрикционных систем, их амплитудно-фазочастотный анализ, а также на его базе синтез оптимальных систем с узлами трения.

Данные методики учитывают и используют для решения оптимизационных задач нелинейную взаимосвязь динамических процессов, протекающих в механической подсистеме и на фрикционном контакте, при обеспечении адекватности процессов трения и изнашивания, происходящих на натурном и модельном фрикционном контакте. При этом процессы трения представляются в виде комплексных функций отражающих их упруго-диссипативную природу.

Список литературы

1. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981 г. 244 с.

2. Заковоротный В.Л., Шаповалов В.В. Динамика транспортных трибосистем // «Сборка в машиностроении», № 12 2005 г.

3. Шаповалов В.В. Комплексное моделирование динамически нагруженных узлов трения машин // «Трение и износ», № 3 1985 г.

4. Шаповалов В.В., Щербак П.Н., Многофазовые смазочные материалы РАПС и способы их нанесения. Вестник машиностроения 2002г., №4 стр. 24-31

5. Шаповалов В.В., Костыгов В.Т. Прогнозирование изнашивания смазываемых узлов трения на базе корректного трибомоделирования. Вестник машиностроения 2002 г. № 9, стр. 32-36

6. Шаповалов В.В. Патент РФ № 2343450 «Способ испытаний узлов трения».

7. Шаповалов В.В. Теоретические основы трибоспектральной идентификации триботехнических характеристик. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Москва, 1988 г.

8. Щербак П.Н. Оптимизация фрикционных механических систем на базе модельного эксперимента. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Ростов-на-Дону, 2002 г.

9. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1967 г., 479 с.

10. Ребиндер П.А. Поверхностно-активные вещества. М.: Знание, 1961 г., 46 с.