Закономерности протекания процессов при работе трибосистемы колодка-колесо-рельс и пути повышения ее долговечности

• Автор: Петров, Сергей Юрьевич
• Шифр специальности: 05.02.04, 05.16.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 350 с. : ил.

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ИЗНАШИВАНИИ И МЕТОДАХ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТРИБОСИСТЕМЫ КОЛОДКАКОЛЕСОРЕЛЬС

1.1. Общие подходы к анализу работы колодки, колеса и рельса как трибосистсмы

1.2. Методы определения сцепления и выделения энергии в пятне контакта колеса с рельсом в режиме торможения тяги.
1.3. Повышение долговечности колес и рельсов за счет изменения механических свойств и структуры сталей

1.4. Процессы, протекающие в паре трения колодкаколесо, и

влияние на них физических свойств материалов колодки.

1.5. Цель и задачи исследований

2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЫДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ТРЕНИЯ В ПАРЕ КОЛЕСОРЕЛЬС ПРИ ТОРМОЖЕНИИ.

2.1. Разработка обобщенной математической модели контактного взаимодействия колеса с рельсом

2.1.1. Методика решения нормальной контактной задачи.

2.1.2. Методика расчета параметров тепловых процессов при решении тангенциальной контактной задачи.
2.1.3. Модель движения колесной пары.
2.2. Взаимодействие колесной пары с рельсошпальной решеткой
2.3. Исследование влияния различных факторов на распределение энергии и работы трения в парс трения колесорельс.
2.4. Закономерности распределения энергии трения на поверхностях катания колеса и рельса
2.5. Экспериментальное определение закономерностей изнашивания рельс на мезоуровне
2.6. Выводы по главе
3 УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОДВОДА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ К ПОВЕРХНОСТИ КОЛЕСА НА ОСНОВЕ РЕШЕНИЯ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ.
3.1. Математическая модель решения обратной задачи теплопроводности
3.2. Оценивание закона изменения мощности теплового потока на поверхности колеса при нагреве кольцевой печью
3.3. Фрикционный разогрев колес в эксплуатации при постоянной скорости и усилии нажатия на тормозную колодку
3.4. Баланс тепловых потоков в трибосистеме колодкаколесорельс. .
3.5. Выводы по главе
4 УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ТРИБОСИСТЕМЫ КОЛОДКАКОЛЕСОРЕЛЬС
4.1. Теплофизические свойства.
4.2. Изменение плотности материалов тормозных колодок.
4.2.1. Экспериментальные исследования.
4.2.2. Нормирование весовых характеристик при нагреве материалов
4.3. Определение закономерностей изменения гриботехнических свойств пары трения колесоколодка в зависимости от материала колодки по результатам испытаний на фрикционную теплостойкость
4.4. Влияние материала колодки на сцепление колеса с рельсом
4.4.1. Методика проведения стендовых испытаний на сцепление.
4.4.2. Исследование сцепления без учета влияния материала колодки.
4.4.3. Определение коэффициента трения и условий ускоренной модификации поверхности колеса при фрикционном нагреве колодкой.
4.4.4. Анализ влияния материалов тормозных колодок на сцепление.
4.4.5. Нормирование сцепления от воздействия материала тормозной колодки
4.5. Твердость материалов
4.5.1. Исследования микротвердости методом невосстановленного отпечатка
4.5.2. Определение твердости колодок из чугуна СЧ
4.6. Рентгеноструктурнофазовый анализ поверхностных слоев
фрикционных материалов
4.6.1. Исследование образцов из натурных изделий
4.6.2. Исследование поверхностных слоев из образцов после испытаний
на фрикционную теплостойкость и на роликовом стенде.
4.7. Выводы по главе.
5. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУР В МАТЕРИАЛАХ ТРИБОСИСТЕМЫ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМОВ НАГРЕВА.
5.1. Изменение структуры композиционных материалов тормозных колодок при термическом воздействии
5.2. Комплексный метод определения структуры сталей в зависимости от сочетания параметров термического цикла.
5.2.1. Закономерности формирования структур на этапе нагрева и структурных превращений выше АС1 в сталях
5.2.2. Этап охлаждения.
5.2.3. Структурная классификация термических циклов
5.3. Выводы по главе.
6. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ИМПУЛЬСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ УПРОЧНЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
6.1. Закономерности роста зерна аустенита при нагреве
6.1.1. Оценка величины зерна аустенита при быстром нагреве.
6.1.2. Влияние различных факторов на формирование размера зерен и механические свойства стали
6.2. Технология электроконтактной обработки сталей.
6.2.1. Отличительные особенности формирования структур при электроконтактном упрочнении и восстановлении деталей
6.2.2. Основные принципы разработки технологии электроконтактной наварки и упрочнения деталей.
6.2.3. Управление процессом подвода тепловой энергии к системе ЭПД
6.3. Металлографические исследования структуры и свойств.
6.3.1. Механизм формирования структуры сварного соединения при последовательном наложении валиков.
6.3.2. Исследование структуры наваренных образцов
6.3.3. Изменение твердости и микротвердости
6.4. Основиы принципы разработки технологии электроконтактного упрочнения и восстановления деталей
6.5. Выводы по главе.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
7. ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ


Исследования показали различия в поведении колесной пары при различном представлении сил сцепления. Наиболее близкие к экспериментальным данным результаты теоретических исследований были получены с помощью моделей, учитывающих силы в контакте колеса с рельсом согласно теории Калкера. Однако, необходимо отметить, что при решении контактной задачи теории упругости сделано допущение, что для исчезающе малых проскальзываний колеса по рельсу проекции силы сцепления и момент вращения являются линейными функциями ех безразмерного относительного скольжения, позволяющей использовать моделирование по этой теории в основном на выбеге. При реализации силы сцепления в режиме тяги и торможения возникает значительное скольжение более 1 0,1, оптимальное 7 2, а иногда до ,3. Поэтому, как отмечается в работах ,,4, вышеуказанная теория не может адекватно описывать процессы в фрикционной паре колесорельс и ее использование будет приводить к значительным погрешностям. На процесс индивидуального сцепления колеса с рельсом рис. Кроме того, на контактирование колеса с рельсом влияет изменение геометрии колеса и модификация поверхности за счет выделения энергии в фрикционном контакте колеса с колодкой, закономерность распределения которой необходимо установить. В последнее время все чаще используют детерминированные модели, основанные на использовании закономерностей, установленных в трибологии ,,,0,. В работе 1 отмечается, что если за основу исследований взять гипотезу о двойственной молекулярномеханической или адгезионнодеформационной природе грения с учетом специфики реализации движущихся сил взаимодействия колеса с рельсом при тягеторможении, то с точки зрения установления причинноследственных связей в условиях многофакторности процесса для анализа наиболее целесообразной становится энергетическая модель процессов. Уо XV . Отношение У к длине . XV Ь уд 0. Использование энергетической модели дает возможность сравнительнойотносительной оценки процессов при невозможности иметь достоверные сведения о многих параметрах пары трения. Это позволяет оценить износ по поперечному сечению рельса и колеса. Рис. Изменение сцепления при смещении колесной пары с изношенными поверхностями на мм а форма пятна контакта 6 характеристики сцепления. Рис. Зависимость коэффициента грения от температуры при качении с проскальзыванием . В случае граничного трения наиболее вероятный режим трения колеса с рельсом фрикционные свойства контакта определяются свойствами граничных слоев загрязнений, обусловленных взаимодействием материалов поверхностей трения, граничных пленок и окружающей среды. Одним из наиболее важных факторов, оказывающих влияние на весь комплекс служебных свойств трущихся материалов, является температура, развивающаяся при трении и вызывающая нагревание поверхностей и разделяющего их поверхностного слоя 2,. Для случая качения с проскальзыванием при различных фрикционных состояниях поверхностей зависимость коэффициента трения от температуры приведена на рис. Таким образом, при исследовании процесса сцепления колеса с рельсом необходимо учитывать зависимость коэффициента сцепления от температуры в контакте. Этим требованиям в большей степени отвечает комплексная математическая модель, описанная в работах . Поэтому, для установления закономерности выделения энергии трения необходимо разработать объемную конечноэлементную модель колеса и рельсошпальной решетки и провести расчетнотеоретическое выявление факторов оказывающих превалирующее влияние на геометрию пятна контакта колеса с рельсом, его напряженнодеформированное состояние и распределение нормальных напряжений разработать агоритм расчета распределения энергии трения в поперечном сечении колеса и рельса 9,. Поскольку трибологические процессы, связанные со сцеплением и изнашиванием как колеса, так и рельса, зависят от соотношения их механических свойств, то необходимо проанализировать имеющиеся работы и провести доиолнигсльные детальные, теоретические и экспериментальные исследования, связанные с изменением этих свойств в эксплуатации.