Технические науки / 4. Транспорт

К.т.н. П.В. Харламов, к.т.н. А.Л. Озябкин

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

ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ДИНАМИЧЕСКИГО МОНИТОРИНГА ФРИКЦИОННЫХ СИСТЕМ

Практически все механические системы включают в свой состав узлы внешнего или внутреннего трения и являются фрикционными системами (ФС), состоящими из квазилинейных частей механических подсистем и существенно-нелинейных подсистем фрикционных контактов (ФК). В ходе эксплуатации механических систем изменяется состояние их ФС, связанные с различными эволюционными преобразованиями (накоплением усталостных трещин, развитием износа контактируемых пар и пр.). Эти изменения, как правило, могут приводить к потере устойчивости, отказам технических систем, снижению безопасности движения.

В работах В.Л. Заковоротного [1,2], В.И. Колесникова [4], В.В. Шаповалова [3] и других авторов рассмотрен ряд вопросов динамического мониторинга наземных транспортно-технологических систем и комплексов, эксплуатируемых при высоких скоростях движения (до 300 км/ч), имеющих значительные габаритные размеры и массы (до 200 т), подвергающиеся значительным внешним воздействиям (контактной сети, окружающей среды, загрязнений, осадков, ветра и т.д.). С учётом специфики эксплуатации данных систем, предъявления к ним повышенных требований по надёжности и безопасности движения их можно выделить в особую группу – «фрикционные мобильные системы» (ФМС), к которым относятся железнодорожный, автомобильный, воздушный и водный транспорт. Узлы трения данных систем (подшипники качения и скольжения, опоры скольжения, зубчатые передачи, фрикционные муфты и тормоза, гасители колебаний, контакт колёсных пар железнодорожного подвижного состава с рельсами или колёс автотранспортных средств с дорожным покрытием) определяют, как было сказано ранее, основные эксплуатационные характеристики (ресурс, экономическую эффективность, безопасность). Обеспечение высокого уровня вышеназванных эксплуатационных характеристик напрямую связано с возможностью неразрушимого контроля состояния фрикционных подсистем, а также с прогнозированием его изменения.

От уровня взаимовлияния динамических процессов, протекающих во ФК и в механической подсистеме, зависит стабильность работы ФК, а также устойчивость и безопасность эксплуатации всей ФМС. Однако до настоящего времени отсутствуют системы непрерывного динамического мониторинга ФС, имеющие высокую достоверность прогноза. В связи с вышесказанным, вопросы совершенствования методов динамического мониторинга ФМС являются важными и актуальными.

В ряде работ основное внимание уделялось вопросам устойчивости траекторий движения масс при деформации фрикционных связей и развитию фрикционных автоколебаний. Не решён ряд вопросов теоретического и экспериментального характера по определению текущего состояния ФК: взаимосвязи процессов трения с динамическими процессами, протекающими в механических системах, взаимного влияния факторов на процессы трения, устойчивости ФС с учётом реального протекания процессов трения, выбора идентификационных признаков, качества и числа информационных каналов. Не решены вопросы контроля трибослоя на наноуровне, которые определяют выходные трибохарактеристики ФК (нормальное или анормальное состояние, например явления термического схватывания гребней колёсных пар подвижного состава и рельсов).

Эффективным способом исследования ФМС, оптимизации их упруго-диссипативных связей, прогнозирования критических режимов фрикционного взаимодействия являются методы натурного эксперимента на лабораторном оборудовании, базирующиеся на теоретических основах физико-математического моделирования (ФММ). Однако в ряде работ не рассматривались вопросы непрерывного мониторинга ФС, неразрушаемого контроля в реальном масштабе времени, а вопросы физического моделирования отражены не полностью или с некоторыми неточностями. Отличие перечисленных теоретических основ динамического мониторинга ФМС заключается в обеспечении [5, 6]: идентичности динамических характеристик, процессов изнашивания взаимодействующих поверхностей трения, динамического взаимодействия механической подсистемы и подсистемы ФК и описания математических моделей (дифференциальными уравнениями или уравнениями регрессии) объекта исследования и его модели.

Как известно, для оценивания упруго-диссипативной природы процессов трения различных фрикционных пар используется коэффициент трения, открытый в 1699 году Кулоном и Амонтоном [7]:

f = F / N,                                                              (1)

где F и N – усреднённые значения сил трения и нормального давления.

В этом выражении динамика фрикционного взаимодействия макро- и микрошероховатостей контактирующих поверхностей трения исключалась из рассмотрения, однако вполне соответствовала уровню развития механических систем XVII века. Технический уровень механических систем, их скорость движения и ограниченное их количество не ставил перед собой задач динамического мониторинга. Учитывая современный уровень развития механических систем XXI века, уровень развития вычислительной техники, компьютерных и информационных технологий, требований по обеспечению надёжности, эффективности и безопасности эксплуатации ФМС необходимо учитывать динамику фрикционного взаимодействия контактирующих пар трения на уровне макро- и микрошероховатостей и её взаимосвязь с динамикой механической системы. Именно эти динамические характеристики определяют условия контактирования и выходные триботехнические характеристики ФС. Наиболее эффективными методами исследования ФМС являются методы трибоспектральной идентификации (ТСИ) процессов трения [6, 7], решающие обратную задачу: на основе наблюдения за координатами состояния заданной ФМС оценить состояние ФК.

Основы динамического мониторинга ФМС заключаются в обеспечении [8]:

1) взаимосвязи динамических процессов, протекающих во ФК и в механических подсистемах;

2) отображения свойств ФК в динамической модели ФМС анализом координат их состояния;

3) критериев подобия физических процессов, однозначно характеризующих исследуемые характеристики ФС;

4) системы параметров, дополняющих уже известные, и однозначно характеризующих упруго-диссипативные фрикционные связи и адгезионно-деформационную природу процессов трения.

Описываемый далее подход динамического мониторинга позволяет с заданной математической вероятностью идентифицировать текущие характеристики мощности необратимых преобразований в контактной области с учётом циклических упругих и диссипативных составляющих, определять максимальные значения объёмной температуры на фактической площади касания, идентифицировать накопление пластических деформаций, формирование равновесной шероховатости, атермическое и термическое схватывание и др. триботехнических характеристик. Процессы трения рассматриваются как динамическая связь, формируемая под влиянием механической подсистемы и подсистемы ФК через узел трения [8]. Эта динамическая связь существует всегда: при устойчивой стационарной траектории движения фрикционных пар или неустойчивой, когда в ней развиваются автоколебания. Изменению координат состояния соответствуют вариации параметров динамической связи, которые связаны с состоянием ФК. Именно указанный подход принципиально отличается от традиционных исследований по динамике ФМС. На базе методов динамического мониторинга ФМС эффективно решаются вопросы диагностики технического состояния ФМС и прогнозирование их изменений в реальном масштабе времени при сохранении параметров технологических процессов, выполняемой данной системой с последующей выработкой сигналов по управлению процессами трения с целью их оптимизации или устранения аномальных состояний трибосистемы в целом. Таким образом, методы динамического мониторинга ФМС решают следующие основные задачи:

1) комплексных исследований модельной ФМС;

2) диагностики текущего состояния ФМС;

3) прогнозирования изменения состояний ФМС;

4) управления ФМС системами автоматического управления (САУ).

Первая задача или первый этап динамического мониторинга наиболее трудоёмкий и ответственный. Допущенные на данном этапе ошибки могут привести к неадекватным физическим моделям и соответственно к ложным данным по диагностике и последующему прогнозированию ФМС. На этом этапе решаются вопросы создания физической модели ФМС на основе теоретических положений ФММ; определения основных параметров и возможных состояний ФМС. Теоретической основой данного этапа являются методы ТСИ, ФММ и математического планирования эксперимента. Инструментальной базой исследований являются современные компьютерные комплексы, включающие аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи, программное обеспечение. Использование современных АЦП (частота дискретизации достигает 50 МГц) и компьютеров позволяет обеспечить практически любую точность тензометрических измерений состояний ФМС, даже на атомарно-молекулярном уровне. Ограничение частотного диапазона регистрации трибоспектральных характеристик связано с частотными характеристиками используемых датчиков, АЦП, быстродействием и памятью компьютеров и выбранной исследователем точностью анализа. На этом этапе определяются триботехнические и трибоспектральные идентификационные характеристики, имеющие максимально высокий уровень корреляции с контролируемыми параметрами или состояниями натурной ФМС. Количество указанных идентификационных характеристик зависит от числа контролируемых факторов, их физической природы, уровня вероятностной точности диагностирования и прогнозирования и ряда других условий.

Второй этап динамического мониторинга заключается в неразрушимом контроле узлов, подузлов и в целом ФМС, сборе базы триботехнических и трибоспектральных характеристик, анализ и статистическая обработка однотипных исследований. Статистическая обработка исследований позволяет проверить полученные результаты на эргодичность, а анализ трибоспектральных характеристик – выявить идентификационные признаки перехода динамических свойств трибосистемы из одного стационарного состояния в другое.  Анализ базы данных, собранной в процессе исследований, и идентификационных признаков перехода динамических свойств трибосистемы из одного стационарного состояния в другое позволяет реализовать третий этап динамического мониторинга – краткосрочное или долгосрочное прогнозирование изменений динамических характеристик.

На завершающем этапе с целью устранения аномальных явлений функционирования ФМС осуществляется автоматизированное управление ФМС на основе управляющего сигнала от системы прогнозирования, например посредством изменения нагрузочно-скоростных режимов функционирования, подачей в зону фрикционного взаимодействия третьего тела фрикционного или антифрикционного назначения.

Данная работа выполнена при поддержке грантов Президента РФ (МК-2013) гос. контракт МК-7139.2013.8.

 

Список литературы

1.    3аковоротный, В.Л. Введение в динамику трибосистем / В.Л. Заковоротный, В.П. Блохин, М.И. Алексейчик. – Ростов н/Д: ИнфоСервис, 2004. – 680 с.

2.    Заковоротный, В.Л. Изучение многообразий в пространстве состояния трибосистем / В.Л. Заковоротный, Н.С. Семёнова // Вестник ДГТУ. – Т. 5. – № 1. – 2005. – С. 30–40.

3.    Заковоротный, В.Л. Исследование комплексного коэффициента трения / В.Л. Заковоротный, В.В. Шаповалов // Трение и износ. – 1987. – С. 22–24.

4.    Колесников, В.И. Акустическая диагностика трибосопряжений / В.И. Колесников, Я.Е. Мельцер, А.Н. Тарасов // Эксплуатация и ремонт строительных, путевых и подъемно-транспортных машин: тр. межвуз. конф. – Ростов н/Д: РИИЖТ, 1985. – Вып. 181. – С. 75–77.

5.    Колесников, И.В. Динамический мониторинг состояния резьбовых соединений тормозных систем вагонов / А.Л. Озябкин, И.В. Колесников, П.В. Харламов // Вестник РГУПС. Ростов н/Д: РГУПС, 2012. – № 1. – С. 22–28.

6.    Шаповалов, В.В. Амплитудо-фазочастотный анализ критических состояний фрикционных систем: монография / В.В. Шаповалов, А.В. Челохьян, И.В. Колесников, А.Л. Озябкин, П.В. Харламов. – М.: ГОУ «Учебно-методичес­кий центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2010. – 383 с.

7.    Крагельский, И.В. Фрикционные автоколебания / И.В. Крагельский, И.В. Гитис. – М.: Наука, 1987. – 183 с.

8.    Патент РФ, МПК G 01 N 3/56. Способ испытаний узлов трения / В.В. Шаповалов, А.Л. Озябкин, П.В. Харламов [и др.]. – № 2343450; заявл. 10.01.2009; приоритет 24.04.2008, № 2006121024/28 (022825).