Старченко Валерій Миколайович. Наукові основи підвищення ефективності гальмування поліпщенням умов взаємодії коліс з гальмівними колодками і рейками : Дис... д-ра наук: 05.22.07 - 2008.
Анотація до роботи:
Старченко В.М. Наукові основи підвищення ефективності гальмування поліпшенням умов взаємодії коліс з гальмівними колодками і рейками. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.22.07 – Рухомий склад залізниць і тяга поїздів, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2008.
У дисертаційній роботі наведено результати теоретичного узагальнення і вирішення науково-технічної проблеми підвищення ефективності гальмування поліпшенням умов взаємодії коліс з гальмівними колодками і рейками завдяки розвитку теорії і використання нових науково обґрунтованих технічних рішень, що забезпечують підвищення ефективності роботи гальмівних та опорно - повертальних пристроїв, зниження інтенсивності зношування елементів системи «гальмівна колодка-колесо-рейка» і підвищення терміну служби.
Запропоновано концепцію і методи вирішення динамічних контактних задач для системи “колесо – рейка” в двовимірній і просторовій постановках з урахуванням осциляції ядер інтегральних рівнянь і принципу граничного поглинання, який характеризує внутрішнє тертя, що дозволило уточнити залежності для оцінки рівня і характеру розподілу контактного напруження, а також величини сили зчеплення при взаємодії рухомого складу і колії.
Розроблено нові гальмівні С-С колодки на основі вуглець - вуглецевих волокон з піровуглецевою матрицею і модифікаторами тертя для гальмівних пристроїв рухомого складу, а також антифрикційні самозмащувальні матеріали на основі капролону з наповнювачами у виді мінерального масла, дисульфіду молібдену і лускатого графіту для опорних пристроїв, котрі сприяють поліпшенню умов взаємодії в системі “гальмівна колодка-колесо-рейка”.
Шляхом чисельного моделювання нестаціонарного теплового процесу, що супроводжує процес колодкового гальмування рейкового рухомого складу, встановлено, що дослідні С-С колодки мають істотні переваги (до 20 і більше відсотків) у порівнянні із серійними композиційними колодками з усіх термічних показників, зокрема, щодо теплонапруженості поверхні тертя.
Теоретичні положення і розроблені математичні моделі, на підставі яких створено технічні рішення, адекватні реальним процесам в системі “гальмівна колодка – колесо – рейка”, що підтверджено комплексними експериментальними дослідженнями.
У дисертації вирішено актуальну науково-технічну проблему підвищення ефективності гальмування рейкового рухомого складу поліпшенням умов взаємодії коліс із гальмівними колодками і рейками шляхом розвитку теорії та знайдення науково обґрунтованих технічних рішень, що забезпечують підвищення ефективності роботи гальмівних і опорно-повертальних пристроїв, зниження інтенсивності зношування елементів системи “гальмівна колодка - колесо - рейка” і підвищення строку їхньої служби. Теоретичні положення, математичні моделі і методи вирішення динамічних контактних задач взаємодії коліс із рейками, а також установлені закономірності контактної, фрикційної, динамічної і теплової взаємодії елементів у системі дозволили створити наукові основи поліпшення характеристик і умов взаємодії рухомого складу і колії.
За результатами проведених теоретичних і експериментальних досліджень зроблено такі висновки.
Одержала подальшого розвитку математична модель динамічної контактної взаємодії колеса і рейки з урахуванням осциляції ядер інтегральних рівнянь, принципу граничного поглинання і гармонійного збурення, що дозволило уточнити величину і характер розподілу контактних напружень.
Уперше отримано теоретичне вирішення динамічної контактної задачі щодо вертикальних коливань колеса на пружній ізотропній рейці з використанням точної факторизації ядра інтегрального рівняння, що дозволило одержати аналітичні залежності для кутів зрушення фаз і модуля комплексної амплітуди коливань колеса.
Отримано інтегральні рівняння для розв'язку контактних задач щодо руху колеса по пружній рейці і щодо руху клина в пружному шарі - рейці, що дозволяє виконати уточнені розрахунки колеса та рейки на міцність і жорсткість, а також прогнозувати розвиток тріщин і виконувати розрахунки на ресурс по втомному руйнуванню.
З урахуванням динамічного характеру вертикальної компоненти контактних напружень удосконалено просторову математичну модель руху локомотива із составом потягу, що дозволяє виконати поглиблені дослідження процесів силової контактної взаємодії колеса з рейкою. Моделюванням руху екіпажа встановлено, що підвищення ефективності гальмування і поліпшення умов взаємодії рухомого складу і колії найбільш раціональним чином можуть бути досягнуті завдяки створенню і використанню принципово нових фрикційних матеріалів у системі колодкового гальмування, що спричиняють зниження теплонапруженості, зменшення зношування і руйнуючого впливу колодок на поверхню катання коліс, а також застосуванням в опорних пристроях антифрикційних матеріалів з низьким коефіцієнтом тертя для зменшення моменту опору повороту візків щодо кузова в плані.
Розроблено теоретичне обґрунтування, компонентний склад, структура, технологічні схеми виготовлення і конструктивне виконання нових гальмівних С-С колодок на основі вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів з піровуглецевою матрицею і модифікаторами тертя, які характеризуються високими та стабільними експлуатаційними властивостями в умовах зміни температури в широкому діапазоні. Уперше встановлено закономірності впливу на фрикційні характеристики якісного, кількісного й фракційного складу різних компонентів і модифікаторів тертя, що дозволяє створювати перспективні гальмівні колодки із заданими параметрами.
Уперше встановлені фрикційні характеристики гальмівного спряження “колісна сталь марки 2 – С-С колодки” у виді емпіричних залежностей від температури поверхні тертя, швидкості ковзання і питомого навантаження, які використовуються для розрахунків гальмівного шляху, часу гальмування та уповільнення, а також для створення автоматизованої системи регулювання і управління процесом гальмування.
Експериментальним шляхом визначено закономірності впливу різних компонентів і їхнього масового вмісту на коефіцієнт теплопровідності С-С колодок, що дозволяє створювати перспективні гальмівні колодки, котрі сприяють інтенсивному відводу теплоти із зони тертя і зменшують температурну напруженість на 20% і більше в порівнянні із серійними композиційними. Встановлено, що гальмівні С-С колодки, модифіковані гібридним зміцнюючим каркасом з мідною сіткою, карбідом бору та бором аморфним, мають коефіцієнт теплопровідності 20...48 Вт/(мК), при середньотемпературному значенні відповідно 40, 29 та 34 Вт/(мК), що значно перевищує аналогічні показники колодок типу ТІІР або фірми «BECORIT» – 0,8…3,3 Вт/(мК).
Поставлено й вирішено методом кінцевих різниць теплову задачу нестаціонарного теплообміну в системі “гальмівні колодки – колесо – рейка”. Моделюванням встановлено часові і швидкісні характеристики зміни температури у фрикційних і контактних зонах для режимів руху, зупинного і екстреного гальмування в умовах застосування різних гальмівних колодок. Дослідні С-С колодки мають перевагу в порівнянні з композиційними до 20% по всіх термічних показниках. Перегрів поверхні тертя “колодка – колесо” у випадку екстреного гальмування на площадці тепловоза ТЕП 150 з початкової швидкості 160 км/год і натисненні на колодку 40 кН при роботі з композиційними колодками отримано на рівні 800С, для чавунних і фосфористих колодок – 325 і 345С, а для С-С колодок – 668С.
Математичне моделювання просторового руху локомотива із составом вагонів без заклинювання коліс, експерименти та пробні поїздки показали, що незалежно від фрикційних умов у контакті коліс із рейками для досягнення однієї й тієї ж величини гальмівного шляху натиснення на С-С колодки має бути у два рази менше, ніж для чавунних колодок. Дійсний гальмівний шлях при розрахунках за методикою ПТР і гальмуванні С-С колодками більш ніж у два рази менше, ніж при чавунних колодках, і на 8...10% менше, ніж при використанні серійних композиційних колодок.
Розроблено компонентний склад, структуру і засоби виготовлення антифрикційних самозмащувальних композиційних матеріалів на основі капролону В «У» з наповнювачами у виді мінерального масла, дисульфід молібдену й лускатого графіту, що характеризуються низьким і стабільним коефіцієнтом тертя в межах 0,05...0,07 при температурному режимі контактної поверхні тертя в діапазоні до 100С.
Експериментальними дослідженнями встановлено, що для полімерних накладок на основі капролону достатнім є введення рідкого мастила на поверхню тертя при початковій установці. Зниження моменту тертя в опорних пристроях становить більше 30 % у порівнянні з серійними, що поліпшує умови взаємодії коліс із рейками при русі в кривих і прямих ділянках шляху, зменшує силовий вплив, роботу сил тертя, інтенсивність зношування та підвищує термін служби коліс і рейок.
Розроблено і створено лабораторні, стендові та натурні експериментальні установки з вимірювально-реєструючими комплексами і програмним забезпеченням для проведення комплексних експериментальних досліджень, результати яких дозволили виконати оцінку адекватності теоретичних положень і розроблених математичних моделей реальним процесам у системі “гальмівна колодка - колесо - рейка”, при цьому розбіжність результатів з експериментальними даними не перевищує 15 %.
Практична цінність роботи підтверджена актами впровадження отриманих результатів «ХК «Луганськтепловоз» і ВАТ «ЛуганськПТІмаш» при створенні тепловоза ТЕП 150, у процесі проектування і розробки тепловозів, дизель - і електропоїздів ДПЛ-2, ДЕЛ-02, ЕПЛ 9Т, трамвайних вагонів. Економічний ефект від впровадження результатів наукової роботи наразі уточнюється в процесі дослідної експлуатації виробів з нових матеріалів на рухомому складі.
Основні наукові результати дисертаційної роботи використовуються в науково-дослідній роботі і навчальному процесі при підготовці бакалаврів, фахівців, магістрів і аспірантів за фахом «Рухомий склад і спеціальна техніка залізничного транспорту» Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.
Публікації автора:
Старченко В.Н. Некоторые вопросы теории контактного взаимодействия колеса и рельса / СНУ ім. В. Даля. – Луганськ: 2006. – 120 с. – Библиогр.: С. 112–117.
Старченко В.Н., Бурка М.Л., Сидоров Н.П. Особенности характеристик сдвига резинометаллических опор кузова тепловоза // Конструирование и производство транспортных машин: Респ. межвед. научн.-техн. сб. Вып. 21. – Харьков: Вища щкола. 1989. – С. 41– 45.
Старченко В.Н., Шевченко С.И., Хухлей С.К. Новые конструкции тормозов транспортных машин // Вестник Восточноукраинского государственного университета, отдельный выпуск. Транспорт. – Луганськ, 1996. – С. 19–23.
Старченко В.Н., Шевченко С.И., Белоус В.В. К вопросу исследования тормозных устройств с колодками плавающего типа // Cер. Транспорт: Зб. наук. праць СУДУ, юбил. выпуск. – Луганськ, 1998. – С. 73–80.
Старченко В.Н., Шевченко С.И., Белоус В.В. О возможности применения аналого-цифровых преобразователей при экспериментальных исследованиях // Вісник СУДУ. – Луганськ, 2000. – №6 (28). – C. 36-40.
Старченко В.Н. К вопросу о трении и сцеплении при взаимодействии колеса с рельсом // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. – Луганськ, 2003. – №9 (67). – С. 129-135.
Старченко В.Н. Трение и сцепление при взаимодействии колеса с рельсом в процессе торможения // Сборник научных трудов НГУ. – Днепропетровск. Национальный горный университет, 2004. – Т. 4, №19. - С. 100-108.
Старченко В.Н., Полупан Е.В., Шевченко С.И. Повышение эффективности торможения использованием новых углерод-композиционных материалов // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. – Луганськ, 2004. – №7[77]. Частина1. – С. 137-142.
Старченко В.Н., Шевченко С.И., Полупан Е.В. Исследование влияния характера нарастания тормозного момента на динамические нагрузки механизмов машин // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. – Луганськ, 2004. – №7 (77). Частина 2. – С. 48-52.
Старченко В.Н. Динамическая контактная задача об угловых колебаниях жёсткого колеса на рельсе (часть 1) // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. – Луганськ, 2004. -№8 (78), Частина 1. – С. 24-28.
Старченко В.Н. Динамическая контактная задача об угловых колебаниях жёсткого колеса на рельсе (часть 2, окончание) // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. – Луганськ, 2004. - №8 (78), Частина 1. – С. 29-32.
Старченко В.Н., Полупан Е.В. Анализ влияния температуры трения на надёжность и долговечность работы тормозного устройства // Подъёмно-транспортная техника, № 1(9). – 2004. С. 49-53.
Старченко В.М., Поляков В.М. Випробування нових фрикційних матеріалів для гальмування транспортних засобів // Вісник Національного транспортного університету. – К.: НТУ, 2004. – Випуск 9. – С. 283-287.
Старченко В.Н., Гурин В.А., Полупан Е.В., Гурин И.В. Триботехнические характеристики новых фрикционных материалов // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. – Луганськ, 2005. – №8[90]. Частина1. - С. 121-126.
Старченко В.Н. Расчёт упругих характеристик пространственно армированных фрикционных углерод-углеродных композиционных материалов // Автомобильный транспорт: Сборник научных трудов. – Харьков: ХНАДУ. – 2005. – Вып. 16. – С. 117-122.
Старченко В.Н., Буряк В.Г. Пространственная динамическая смешанная задача о сдвиге упругого полупространства // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ, 2005. - №6 (88). - С. 51-56.
Старченко В.Н., Буряк В.Г. Динамическая контактная задача о взаимодействии колеса с рельсом // Вісник ДНУЗТ ім. акад. В. Лазаряна.– Д.: Дніпропетр. нац. ун-т залізн. транспорту. - 2005. – Вип. 8. - С. 170-175.
Старченко В.Н., Буряк В.Г. Динамічна контактна задача руху колеса по пружному шару // Управління проектами, системний аналіз і логістика. – К.: НТУ. – 2005. – Вип.2. - С. 121-124.
Старченко В.Н. Пространственная динамическая контактная задача для упругого полупространства // Збірник наукових праць НГУ. - Дніпропетровськ: Національний гірничий університет. - 2005.– №21.- С. 21-28.
Старченко В.Н. Антифрикционные полимерные материалы для опорных устройств подвижного состава железных дорог // Наука, техника и высшее образование. Сб. научн. тр., Вып. 2. Изд-во Ростовского университета. - 2006. - С. 57-58.
Старченко В.Н., Гурин В.А., Быкадоров В.П., Шапран Е.Н. Фрикционные материалы на базе углерод-углеродных и углерод-асбестовых волокон для тормозных устройств // Железные дороги мира - 2006. –№ 2. - С. 38-42.
Старченко В.Н. Расчёт упругих характеристик фрикционных углеродных композитов для подвижного состава // Вісник ДНУЗТ ім. В. Лазаряна. – Д.: ДНУЗТ. - 2006. Вип. 11. - С. 160-166.
Басов Г.Г., Старченко В.Н., Чесноков В.В., Нестеренко В.И., Бурка М.Л., Паранич А.А. Экспериментальные исследования новых материалов для опорно-возвращающих устройств подвижного состава // Збірник наукових праць НГУ.– Дніпропетровськ: Національний гірничий університет. – 2006. – № 24. – С. 105-110.
Старченко В.Н., Полупан Е.В. Исследование теплового состояния фрикционных накладок тормозных устройств транспортных машин // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. – Луганськ, 2006. - №7 (101). - С.56-61.
Голубенко А.Л., Старченко В.Н. Решение динамической контактной задачи с ограничением при взаимодействии колеса и рельса // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. – Луганськ, 2006. - №8 (102), Частина 1. - С. 19-25.
Голубенко А.Л., Старченко В.Н., Гурин И.В. Фрикционные углерод-углеродные композиты для тормозных устройств подвижного состава // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. – Луганск, 2006. - №8 (102), Частина 2. - С. 256-261.
Старченко В.Н. Трибологические свойства фрикционных С-С композитов для тормозных устройств подвижного состава // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. – Луганськ, 2007. - № 6 (112). - С. 48-52.
Старченко В.Н. Контактные напряжения при динамическом взаимодействии колеса с рельсом // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. – Луганськ, 2007. - № 8 (114), Частина 1. - С. 59-63.
Старченко В.Н. Исследование теплофизических параметров фрикционных С-С композитов // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. – Луганськ, 2007. - № 8 (114), Частина 2. - С. 226-229.
Двосекційна гальмова колодка: Патент на корисну модель 17933. Україна. МПК (2006) F16D 65/04 / Старченко В.М., Шевченко С.І., Полупан Є.В. (UA). № u 2006 04585; Заявл. 25.04.06; Опубл. 16.10.06, Бюл. №10. - 2 с.
Композитний матеріал на основі вуглець-вуглець для фрикційних елементів: Патент на винахід №82267. Україна. МПК С04В 35/83, С04В 35/52, F16D 69/00/ Старченко В.М., Полупан Є.В., Шевченко С.І. (UA). Заявл. 03.05.2006; Опубл. 25.03.08, Бюл. №6. – 4 с.
Статті, матеріали конференцій і авторські свідоцтва,
які додатково висвітлюють результати досліджень
Старченко В.Н., Нестеренко В.И. Повышение тяговых и тормозных свойств электропоездов путём совершенствования конструкции их тележек // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. – Луганськ, 2003. – №9 (67). – С. 142-147.
Старченко В.Н. Динамическая контактная задача о вертикальных колебаниях жёсткого колеса на упругом изотропном рельсе // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. – Луганськ, 2005. – №8 (90). Частина 1. – С. 94-98.
Старченко В.М., Буряк В.Г. Динамічна задача про рух клина у пружному шарі // Збірник наукових праць НГУ. – Дніпропетровськ: Національний гірничий університет, – 2005. – №21. – С. 16-21.
Старченко В.Н. Ограниченное решение динамической контактной задачи о взаимодействии колеса с рельсом // Збірник наук. праць НГУ. – Дніпропетровськ. Національний гірничий університет, – 2006. – №24. – С. 110-113.
Старченко В.Н., Шевченко С.И. Измерительная система для диагностики и испытания тормозных устройств транспортных машин // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. – Луганськ, 2006. – №7 (101). – С. 193-196.
Старченко В.Н. Фрикционные углерод-углеродные композитные материалы для дисковых тормозов подвижного состава // Наука, техника и высшее образование: Сб. научн. тр. – Изд-во Ростовского университета. – 2006. – Вып. 2. – С. 57-58.
Старченко В.Н., Полупан Е.В. Тепловые процессы при колодочном торможении фрикционными С-С композитами // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. - 2007. - № 6 (112), Частина 2. – С. 227-230.
Старченко В.Н., Хухлей С.К., Шевченко С.И. Новое конструктивное решение тормозных устройств транспортных машин // Проблемы развития локомотивостроения: 5-я Межд. научн.-техн. конф., Алушта, октябрь 1995.
Старченко В.Н., Шевченко С.И., Хухлей С.К. Установка для диагностирования и испытания тормозных устройств транспортных машин //Автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении: Межд. научн.-практ. конф.,Луганск, 1996.
Старченко В.Н., Шевченко С.И., Панфилов Д.А. Новая конструкция тормозной системы транспортных машин // Автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении: Межд. научн.-практ. конф., Луганск, 1996.
Старченко В.Н., Шевченко С.И., Хухлей С.К. Автоматизированная обработка экспериментальных данных // Проблемы развития рельсового транспорта: 7-я Межд. научн.-техн. конф., Крым, Ливадия, сентябрь 1997.
Старченко В.Н. Трение и сцепление при взаимодействии колеса с рельсом // Проблемы механики железнодорожного транспорта: XI –я Межд. конф., ДНУЗТ им. акад. В. Лазаряна, Днепропетровск. – 2004. – С. 156.
Старченко В.Н. Трение и сцепление при взаимодействии колеса с рельсом в процессе торможения // Проблемы механики горно-металлургического комплекса: Межд. научн.-техн. конф., НГУ, Днепропетровск. – 2004. – С. 30.
Старченко В.Н., Гурин В.А. Фрикционные углерод – композиционные материалы для транспортной техники // Залізничний транспорт України, Спеціальний випуск №3/1. Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції «Наука в транспортному вимірі». – К., 2005. – С. 256.
Старченко В.Н. Расчёт упругих характеристик углерод-композиционных материалов для транспортной техники // Залізничний транспорт України, Спеціальний випуск №3/1. Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції «Наука в транспортному вимірі». – К., 2005. – С. 255.
Старченко В.Н. Новые фрикционные углерод-углеродные композиты для тормозных устройств подвижного состава // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: 65-я Межд. научн.-практ. конф., Днепропетровск, ДНУЖТ им. акад. В. Лазаряна, 2005. – С. 77.
Старченко В.Н. Расчёт упругих характеристик фрикционных композитов для тормозных устройств подвижного состава // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: 65-я Межд. научн.-практ. конф., Днепропетровск, ДНУЖТ им. акад. В. Лазаряна, 2005. – С. 33-34.
Старченко В.Н. Новые антифрикционные материалы для опорных устройств подвижного состава // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: 66-я Межд. научн.-практ. конф., Днепропетровск, ДНУЖТ им. акад. В. Лазаряна, 2006. – С. 103-104.
Старченко В.Н. Новые фрикционные материалы для дисковых тормозов подвижного состава // Наука в транспортном измерении: Пассажирские перевозки: 2-я Межд. научн.-практ. конф., Укрзалізниця, Киев, 2006 г. – С. 32.
Старченко В.Н. Повышение эффективности работы опорно-возвращающих устройств подвижного состава // Наука в транспортном измерении: Пассажирские перевозки: 2-я Межд. научн.- практ. конф., Укрзалізниця, Киев, июнь 2006 г. – С. 33.
Старченко В.Н., Кузнецова М.Н. Фрикционные С-С композиты для тормозных устройств подвижного состава // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: 67-я Межд. научн.-практ. конф., Днепропетровск, ДНУЖТ им. акад. В. Лазаряна, 2007.
Старченко В.Н. Новые антифрикционные материалы для опорных устройств тележек подвижного состава // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: 67-я Межд. научн.-практ. конф., Днепропетровск, ДНУЖТ им. акад. В. Лазаряна, 2007.
Старченко В.Н., Кузнецова М.Н. Исследование теплофизических параметров фрикционных С-С композитов для тормозных устройств транспортных машин // XII –я Межд. конф., ДНУЗТ им. акад. В. Лазаряна, Днепропетровск. – 2008.
Старченко В.Н. Повышение эффективности торможения рельсового подвижного состава применением фрикционных С-С композитов // XII –я Межд. конф., ДНУЗТ им. акад. В. Лазаряна, Днепропетровск. – 2008.
