1

Міністерство освіти і науки України

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля

На правах рукопису

УДК 625.032.3:629.4.063.7

Ноженко Володимир Сергійович

ПОЛІПШЕННЯ ТРИБОТЕХНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ДВОТОЧКОВОГО КОНТАКТУ «КОЛЕСО-РЕЙКА»

АКТИВАЦІЄЮ ПОВЕРХОНЬ

05.22.07 – рухомий склад залізниць та тяга поїздів

Дисертація на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Науковий керівник

Горбунов Микола Іванович

доктор технічних наук, професор

Сєвєродонецьк, 2016

2

ЗМІСТ

ВСТУП ..................................................................................................................... 5

РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ ПРОБЛЕМИ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОЇ ВЗАЄМОДІЇ

КОЛЕСА ЛОКОМОТИВА З РЕЙКАМИ ........................................................... 14

1.1. Зчеплення колеса з рейкою. Аналіз факторів, що впливають на процес

тертя ........................................................................................................................ 14

1.3. Роль ковзання в реалізації сили тяги локомотива ...................................... 18

1.4. Методи впливу на коефіцієнт зчеплення колеса локомотива з рейкою ... 20

1.5. Аналіз методів впливу на фрикційні характеристики в парах тертя ........ 32

1.6. Експертне оцінювання. Вибір напряму дослідження ................................. 34

1.7 Дослідження впливу активованого повітряного потоку на трибосполучень

(озон, іонізоване повітря) ..................................................................................... 38

1.8 Вплив електричного струму на контактну взаємодію твердих тіл ............ 43

1.9. Постановка мети і завдання дослідження .................................................... 47

РОЗДІЛ 2 МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ЗЧЕПЛЕННЯ У КОНТАКТІ

«КОЛЕСО-РЕЙКА» .............................................................................................. 50

2.1. Аналіз теоретичних досліджень з моделювання контактної взаємодії

колеса з рейкою ..................................................................................................... 50

2.2. Вплив струму на фрикційні характеристики пари тертя ........................... 52

2.3. Вплив озону на фрикційні характеристики пари тертя .............................. 53

2.4. Математична модель контактної взаємодії колісної пари з рейковою

колією ..................................................................................................................... 59

2.4.1. Ітераційне рішення нормальної контактної задачі ............................... 61

2.4.2. Основні положення рішення тангенціальної задачі ............................. 64

2.5. Теоретичне дослідження впливу електричного струму на знос

трибосполучення «ролик-ролик»......................................................................... 65

Висновки по другому розділу .............................................................................. 69

РОЗДІЛ 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ

АКТИВАТОРІВ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ НА ПРОЦЕС ТЕРТЯ

ТРИБОКОНТАКТУ «КОЛЕСО-РЕЙКА»........................................................... 70

3

3.1. Аналіз експериментальних лабораторних і натурних досліджень з

вивчення процесу зчеплення колеса локомотива з рейкою .............................. 70

3.2 Експериментальні дослідження з встановлення впливу активаторів

поверхневого шару на контакт «колесо-рейка» ................................................. 75

3.3. Експериментальні дослідження з встановлення впливу електричного

струму на контакт «колесо-рейка» ...................................................................... 81

3.4. Експериментальні дослідження з встановлення спільного впливу

озонованого повітряного потоку та електричного струму на контакт «колесо-

рейка» ..................................................................................................................... 85

3.5 Аналіз ступеня впливу параметрів озонованого повітряного потоку та

електричного струму на коефіцієнт тертя колеса із рейкою ............................ 87

3.6. Експериментальні дослідження впливу озонованого повітряного потоку

та електричного струму на фрикційні параметри контакту ............................. 94

3.7. Дослідження впливу електричного струму на знос трибосполучення

«ролик-ролик» ....................................................................................................... 97

3.8. Визначення перехідного опору контакту «колесо-рейка» в залежності від

фрикційного стану ............................................................................................... 101

3.9. Оцінка ризику впровадження досліджуваних факторів, що впливають на

рівень коефіцієнта зчеплення на основі імітаційного моделювання, методом

«Монте-Карло» .................................................................................................... 104

3.9.1. Інноваційні ризики впровадження технічних рішень на транспорті 104

3.9.2. Опис комп’ютерної програми «Програма оцінки ризиків та

економічної безпеки впровадження інноваційних проектів» ..................... 109

Висновки по третьому розділу ........................................................................... 112

РОЗДІЛ 4 РЕАЛІЗАЦІЯ РОЗРОБЛЕНИХ ТЕХНІЧНИХ РІШЕНЬ ДЛЯ

ПОКРАЩЕННЯ ВЗАЄМОДІЇ РУХОМОГО СКЛАДУ ТА ШЛЯХУ ........... 114

4.1. Технічні рішення щодо пристроїв для змащування гребнів коліс

рейкових транспортних засобів та способів підвищення зчеплення і зниження

зносу колеса з рейкою ......................................................................................... 114

4.1.1. Спосіб визначення лінійної швидкості локомотива .......................... 114

4

4.1.2. Спосіб зниження гальмівного шляху при екстреному гальмуванні 117

4.1.3. Розробка пристроїв для керування тертям у контакті

«колесо-рейка» ................................................................................................. 119

4.1.4. Розробка способу підвищення зчеплення колеса з рейкою .............. 124

4.2. Оцінка економічної ефективності використання озонованого повітряного

потоку ................................................................................................................... 126

4.3. Оцінка зниження витрати палива від застосування електричного струму

на рейках вкритих мастилом і вкритих водою ................................................. 129

Висновки по четвертому розділу ....................................................................... 135

ВИСНОВКИ ......................................................................................................... 136

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ .................................................... 139

ДОДАТКИ………………….…………………………………………...………152

5

ВСТУП

Залізничний транспорт, згідно статистики Міністерства інфраструктури

України за 2015 рік, займає лідуючі позиції серед транспортних галузей

національної економіки країни. За останній рік вантажообіг країни

залізничним сполученням склав майже 85%, пасажирообіг – приблизно 40%.

Чистий дохід української залізниці склав майже 65% від сумарного доходу

всіх перевезень по країні. Проте основною проблемою залізниць України є

суттєво зношений рухомий склад. Названі факти, а також залежність від

міжнародного ринку перевезень формують головні тенденції розвитку

залізничної галузі країни, та мають на меті, згідно «Транспортної стратегії

України до 2020 року», здійснення оновлення рухомого складу шляхом

створення нових або модернізації існуючих транспортних засобів, сервісні,

технічні та економічні показники експлуатації яких, відповідають сучасним

європейським вимогам безпечності, екологічності та енергоефективності.

Актуальність теми. Пріоритетом розвитку залізничної галузі є

проведення технічної та технологічної модернізації залізничного транспорту

з метою підвищення швидкості руху пасажирських поїздів до 160 і

вантажних до 100-120 км/год, що потребує підвищення тягово-зчіпних

якостей і енергетичної ефективності локомотивів, від чого також залежить і

собівартість експлуатації рухомого складу в цілому.

Основною складовою цього є процеси, які відбуваються в контакті

взаємодіючих між собою колеса і рейки. Вимоги до показників взаємодії

коліс і рейок в різних зонах контакту суперечливі. З одного боку, для

реалізації необхідної сили тяги необхідно забезпечити високий і стабільний

рівень зчеплення локомотивних коліс з рейками. З іншого - для запобігання

укочування колеса на голівку рейки, зниження зносу гребня колеса і бічної

поверхні голівки рейки, а також зниження опору руху поїзда в кривих,

потрібно максимально можливо знизити тертя між гребнем колеса і бічною

поверхнею голівки рейки. Крім того, реалізація сили тяги (гальмування)

6

супроводжується ковзанням коліс відносно рейок. Це приводить до того, що

значна частина потужності локомотива витрачається не на тягу, а на

розігрівання і руйнування (знос) поверхонь в зоні контакту. До 20%

потужності підведеної до колеса може бути втрачене у контакті «колесо –

рейка». Таким чином, сучасне уявлення про оптимізацію фрикційної

взаємодії колеса з рейкою в умовах експлуатації- це забезпечення стабільно

високого коефіцієнта зчеплення в зоні контакту поверхні кочення колеса з

рейкою при мінімізації величини ковзання і опору руху з одночасним

максимально можливим зменшенням коефіцієнта тертя в зоні контакту

гребня колеса з бічною поверхнею голівки рейки. Найбільш уживаним

методом поліпшення зчіпних якостей локомотивів є подача піску в зону

контакту колеса і рейки, але наряду з безперечними перевагами його

використання він має і недоліки: забруднення піском баластної призми,

збільшення опору руху та адгезійного і абразивного зносу, що в свою чергу

позначається на безпеці руху рухомого складу. Мають недоліки і способи

зниження зносу у контакті гребня колеса з рейкою, що використовуються на

залізниці. Так, за оцінками фахівців, витрати енергії на подолання сил тертя

складають до 90% енергії, що витрачається на тягу поїздів, а знос рухомого

складу та колії викликає суттєві витрати в ремонтному господарстві. У

підсумку на 1 кг умовного палива, що витрачається в галузі, доводиться 0,5

умовних одиниць амортизаційних витрат і близько 0,02 умовних одиниць

витрат на матеріали.

Забезпечення високого коефіцієнта зчеплення у контакті «колесо-

рейка» сприятиме реалізації максимальних тягових зусиль, а зменшення

коефіцієнта зчеплення у контакті «гребінь колесо– рейка» дасть змогу

збільшити міжремонтний строк на обточку бандажів, що дозволить

підвищити швидкість та безпеку руху залізничного транспорту в цілому.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана згідно з Державною програмою «Комплексна

програма оновлення залізничного рухомого складу України на 2008-2020

7

рр.», (наказ Мінтрансзв’язку України №1259 від 14.10.2008 р.), Державною

цільовою програмою реформування залізничного транспорту на 2010-2019

роки (розпорядження Кабінету Міністрів України № 1390 від 16.12.2009 р.)

та Транспортною стратегією України на період до 2020 року (розпорядження

Кабінету Міністрів України № 2174-р від 20.10.2010 р.). Робота є частиною

планів нової техніки ПАТ «Укрзалізниці» та планів науково-дослідних робіт

СНУ ім. В. Даля. Результати і висновки дисертації отримані при виконанні

наступних держбюджетних науково-дослідних робіт, в яких автор був

співвиконавцем: ДН 09 – 09 «Розробка методів управління контакту колесо –

рейка дослідженням трибологічних закономірностей і їхньої взаємодії» (№

держ. реєстрації 0109U000081); ДН-34-10 «Отримання вуглеводного палива

фізико-хімічним впливом на відпрацьовані шини та мастила і його активація

озонуванням» (№ держ. реєстрації 0110U002098); ДН-48-11 Розробка й

реалізація наукових основ забезпечення стабільно високих значень

коефіцієнта зчеплення коліс локомотива з рейками (№ держ. реєстрації

0109U000081); ДН-71-13 «Наукові основи побудови ефективної системи

енергозбереження на транспорті за рахунок управління робочими процесами

енергомеханічної частини» (№ держ. реєстрації 0113U001173); проект №

GP/F49/097 «Розроблення нових методів та засобів проектування та

технології експлуатації ресурсозберігаючого транспортного засобу», договір

№Ф49-388-2013 від 18.10.2013 (№ держ. реєстрації 0113U007233), ДН-01-15

«Розробка концепції та технічних рішень інноваційного транспортного

засобу на основі ресурсо- та енергозберігаючих технологій на етапах

життєвого циклу», (№ держ. реєстрації 0115U000645).

Мета і задачі дослідження.

Поліпшення триботехнічних характеристик двоточкового контакту

системи «колесо-рейка» шляхом активації поверхонь електричним струмом і

озонованим повітряним потоком.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються наступні наукові

завдання:

8

– базуючись на результатах аналізу стану проблеми взаємодії колеса з

рейкою, виявити та визначити методи і способи керування коефіцієнтом

зчеплення, проаналізувати досвід щодо практичного використання існуючих

методів підвищення коефіцієнта зчеплення, доповнити їх класифікацію,

визначити переваги та недоліки і, на підставі отриманих даних, розробити

ефективний метод підвищення зчіпних якостей локомотива;

– використати систему інтелектуальної підтримки прийняття рішень у

вигляді експертного оцінювання щодо визначення перспективних методів

підвищення коефіцієнта зчеплення для обґрунтування вибраного напряму

дослідження;

– теоретично обґрунтувати та довести доцільність активації

взаємодіючих поверхонь колеса з рейкою за рахунок привнесення у

фрикційний контакт електричним струмом та озонованим повітряним

потоком (при роздільному чи спільному впливі) додаткової енергетичної

компоненти з метою поліпшення триботехнічних характеристик та

коефіцієнта зчеплення;

– виконати експериментальні дослідження щодо оцінки впливу

параметрів електричного струму та параметрів озонованого повітряного

потоку на триботехнічні характеристики двоточкового контакту «колесо –

рейка», включаючи планування експерименту з обґрунтуванням вибору

факторів для дослідження, модернізацію існуючого стендового обладнання

для забезпечення пропускання електричного струму і подачі озонованого

повітряного потоку у фрикційний контакт, отримання емпіричних

залежностей коефіцієнта тертя від температури при різних параметрах

досліджуваних способів активації поверхонь та фрикційного стану поверхонь

тертя;

– оцінити ризики, пов'язані з впровадженням пропонованих способів

поліпшення фрикційної взаємодії в двоточковому контакті «колесо-рейка»;

– узагальнити результати досліджень і сформулювати практичні

рекомендації щодо використання методів активації поверхонь двоточкового

9

контакту «колесо-рейка» з метою поліпшення фрикційної взаємодії,

зменшення експлуатаційних витрат.

Об'єкт дослідження – процес двоточкової контактної взаємодії колеса з

рейкою.

Предмет дослідження – механізми взаємодії колеса з рейкою при

введенні в зону двоточкового контакту енергетичної компоненти, створена

дією електричного струму і озонованого повітряного потоку.

Методи дослідження. Основою розв’язання поставлених у дисертації

задач є теоретичні та експериментальні методи дослідження. Теоретичні

дослідження базуються на математичному моделюванні з використанням

систем диференціальних рівнянь та чисельних методів їх інтегрування, теорії

тертя, законів газодинаміки і теоретичної механіки, математичної статистики

і теорії вірогідності; теорії оцінки ризиків та безпеки впровадження

інноваційних проектів (комп’ютерна програма, свідоцтво №54146 від

19.03.2014р); теорії планування експерименту, для оцінки впливу

озонованого повітряного потоку та електричного струму на коефіцієнт тертя.

Наукова новизна отриманих результатів:

– вперше отримані емпіричні залежності зміни граничного коефіцієнта

тертя при внесенні у контакт додаткової енергетичної компоненти, яка

забезпечується електричним струмом і озонованим повітряним потоком, що

характеризується концентрацією озону і швидкістю його подачі, при

роздільному і спільному впливі, а також різних умовах контактування (чиста

рейка, рейка, вкрита водою, рейка, вкрита мастилом), що дозволило оцінити

величину коефіцієнта зчеплення при різних фрикційних умовах контакту та

визначити раціональні параметри запропонованих пристроїв;

– теоретично оцінено та експериментально отримано закономірності

зношення контактних поверхонь під впливом електричного струму в

залежності від щільності струму та навантаження контакту;

– отримала подальший розвиток математична модель контактної

взаємодії колісної пари з рейковою колією шляхом урахування зміни

10

локальної температури поверхневих шарів, викликаної введенням в контакт

енергетичної компоненти як фактору впливу електричного струму і

озонованого повітряного потоку в системі «колесо – рейка», що дозволило

прогнозувати зчіпні якості тягового рухомого складу в різних режимах і

умовах руху.

Практичне значення отриманих результатів:

– модернізована автоматична вимірювально-моделююча стендова

установка «Машина тертя» (патент на корисну модель №65999) системою

подачі електричного струму через робочий ролик і пристроєм для подачі

озонованого повітряного потоку з подальшою подачею в контакт колеса з

рейкою, що дозволяє проводити експериментальні дослідження, спрямовані

на вивчення процесів тертя у трибоконтакті «ролик-рейка», з можливістю

перенесення результатів дослідження на реальний контакт колеса з рейкою;

– визначено раціональні режими роботи генератору озону, які

дозволяють впливати на коефіцієнт тертя в контакті колеса з рейкою, що

буде використано при розробці технічних рішень, спрямованих на

поліпшення фрикційної взаємодії в двоточковому контакті «колесо-рейка»;

– результати імітаційного моделювання методом Монте-Карло

дозволили визначити найменш ресурсовитратні й найбільш економічно

вигідні для впровадження у виробництво, з подальшим залученням

інноваційних інвестицій в залізничну галузь, методів оптимізації фрикційної

взаємодії колеса з рейкою (свідоцтво про реєстрацію авторського права на

твір № 54146);

– за результатами проведених експериментальних досліджень щодо

виявлення впливу електричного струму та озонованого повітряного потоку

розроблено нові та поліпшено існуючі способи і пристрої керування

коефіцієнтом зчеплення, що підтверджується отриманими патентами на

технічні рішення та способи (№№ 46425, 48482, 52325, 59547, 67217, 67218,

94495) та передано для впровадження на ПАТ «Луганськтепловоз»;

11

– отримані наукові результати використовуються у навчальному процесі

на кафедрі залізничного транспорту СНУ ім. В. Даля при підготовці

студентів за напрямом 070105 − «Рухомий склад залізниць» за спеціальністю

07010501 − «Локомотиви та локомотивне господарство».

Особистий внесок здобувача. Проведені теоретичні та

експериментальні дослідження, аналіз отриманих результатів, наукові

положення та розробки виконані автором особисто. Наукову публікацію

щодо експериментальних досліджень впливу озону на фрикційну пару

«ролик-рейка» [1] підготовлено без співавторів. У публікаціях, в яких

відображено основні результати дисертації та підготовлених у співавторстві,

особистий внесок автора полягає у наступному: розглянуто пріоритетні

напрямки досліджень, розширено класифікацію факторів, що впливають на

коефіцієнт зчеплення в двоточковому контакті «колесо-рейка», та

представлено методи керування зчепленням [2, 3]; доповнено існуючу

класифікацію методів підвищення і зниження коефіцієнта зчеплення системи

«колесо-рейка» та проведено їх оцінювання за допомогою метода Монте-

Карло [4, 5]; з метою вивчення фрикційних властивостей контакту «колесо-

рейка» вдосконалено стендову установку «Машина тертя» за рахунок

системи подачі електричного струму та пристрою для подачі озонованого

повітряного потоку [6, 7]; проведено експериментальне дослідження впливу

електричного струму на зношуваність пари «ролик-ролик» на стендовій

установці СМЦ-2 [8]; виконано експериментальну перевірку ефективності

використання озонованого повітряного потоку та електричного струму на

фрикційні властивості контакту «колесо – рейка» [9]; розроблено та

запропоновано технічні рішення, щодо вдосконалення способів подачі

змащення у контакт «гребінь колесо – рейка» [10]; виконано теоретичні

дослідження застосування озонованого повітряного потоку для зниження

зносу в трибоконтакті «колесо – рейка» [11].

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати

дисертаційної роботи доповідались на: XV науково-технічній конференції з

12

міжнародною участю на тему «Транспорт, экология – устойчивое развитие»

(Болгарія, Варна, 2009 р.); IX, X Міжнародних конференціях «Трибология и

надежность» (Санкт-Петербург, 2009, 2010 рр.); 8-ій Міжнародній науково-

технічній конференції «Наука – образованию, производству, экономике»

(Мінськ, 2010р.); Міжнародній науково-практичній конференції молодих

вчених і студентів «Екологічні проблеми природокористування та ефективне

енергозбереження» (Київ, 2010 р.); ІІ Всеукраїнській науково-практичній

конференції молодих учених та студентів (Донецьк, 2010 р.); V-ій

Міжнародній практичній конференції «Проблеми та перспективи розвитку

транспортних систем в умовах реформування залізничного транспорту:

управління, економіка і технології» (Київ, 2011 р.); 3-ій та 5-ій міжвузівській

науково-технічній конференції викладачів, молодих учених та студентів:

«Енерго- і ресурсозберігаючі технології при експлуатації машин та

устаткування» (Донецьк, 2011 р., 2013 р.); Всеросійській науково-практичній

конференції «Транспорт-2012» (Ростов-на-Дону, 2012 р.); Міжнародній

науково-практичній конференції «Перспективы взаимодействия железных

дорог и промышленных предприятий» (Україна, Кострино, 2013 р.).

Робота в повному обсязі доповідалась на розширеному науковому

семінарі кафедри залізничного транспорту Східноукраїнського

національного університету імені Володимира Даля та членів спеціалізованої

вченої ради Д 29.051.03.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 29

наукових працях (з яких 9 – у спеціальних фахових виданнях, що входять до

переліку МОН України (з них 1 без співавторів), 2 – у фахових закордонних

виданнях, 7 – у матеріалах конференцій, 9 патентів України на корисну

модель та 1 свідоцтво на комп'ютерну програму.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота має вступ, чотири

розділи, висновки, список використаних джерел та додатки. Повний обсяг

дисертації складає 157 сторінок, в тому числі 131 сторінку основного тексту,

13

4 таблиці, 35 рисунків, список використаних джерел зі 114 найменувань на 13

сторінках та 1 додаток на 4 сторінках.

14

РОЗДІЛ 1

АНАЛІЗ ПРОБЛЕМИ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОЇ ВЗАЄМОДІЇ КОЛЕСА

ЛОКОМОТИВА З РЕЙКАМИ

1.1. Зчеплення колеса з рейкою. Аналіз факторів, що впливають на

процес тертя

Від процесів, що відбуваються в контакті колеса і рейки, залежить

робота рухомого складу залізниць. Споживана енергія реалізується в контакті

«колесо-рейка», а ефективне використання цієї енергії залежить в основному

від зчеплення колеса з рейкою. Процеси, що відбуваються на контактній

площадці колеса з рейкою, до теперішнього моменту досконало не вивчені.

Природу зчеплення колеса з рейкою досліджували завдяки багатьма

запропонованим чисельним теоріям, основні з них – теорія пластичного

деформування І. Гранвуана, теорія продольного кріпа О. Рейнольдса і Н. П.

Петрова; диференціального кріпа А. Пальмгрена і Г. Хіткоута, молекулярна

теорія Г. Томлісона, теорія пружних недосконалостей А. Ю. Ішлінського.

Спільний вплив об’ємних і поверхневих ефектів на опір кочення розглянуто

в роботах І. Г. Горячевою [12, 13].

При цьому вимоги до показників взаємодії коліс і рейок в різних зонах

контактування суперечливі. З одного боку, зчеплення коліс з рейками має

бути таким, щоб забезпечувався мінімальний опір руху поїзда. З іншого – для

реалізації необхідної сили тяги потрібно забезпечувати високий і стабільний

рівень зчеплення локомотивних коліс з тією ж поверхнею. Для запобігання

вкочування колеса на головку рейки, зниження зносу гребеня колеса і бічної

поверхні головки рейки, а також опору руху поїзда в кривих потрібно

максимально можливо знизити тертя між гребенем колеса і бічною

поверхнею головки рейки.

При русі локомотива сила зчеплення змінюється в широких межах і

залежить від багатьох факторів (стану поверхонь колеса і рейки, температури

і вологості навколишнього середовища, величини нормальних і дотичних

15

навантажень тощо). Тобто від властивостей і стану фрикційної системи

«колесо рейка», які неможливо точно виміряти або врахувати заздалегідь.

Згідно ГОСТ 30413-96 коефіцієнт зчеплення – це відношення сил тертя до

нормальної (перпендикулярній) навантаженню сили, яка прикладена до

тертьових поверхонь.

Різні теоретичні положення і гіпотези, що пояснюють тертя і знос,

зводяться до механічного, молекулярного і молекулярно-механічного впливу

між поверхнями, що труться.

В основу механічної теорії тертя твердих тіл покладена теорія пружних

і непружних механічних взаємодій нерівностей, що виникають на терті

поверхні при ковзанні одного тіла по іншому.

Експериментальними дослідженнями явища тертя займалися де ла Гір,

Амонтон, Паран, Лейбніц, Ейлер, Кулон, Ренні, Морен, Пальшау, Грюмбель

та інші.

Амонтон Г. [12], на підставі експериментів встановив, що сила тертя

пропорційна вазі вантажу g і не залежить від величини площі дотику.

Паран на підставі досліджень Амонтона прийшов до висновку [14], що

реакція поверхні, яка ковзає, відхиляється від нормалі до цієї поверхні на

деякий кут, кут рівноваги. В подальшому, Ейлер пояснив явище тертя

наслідком зчеплення шорсткостей поверхонь, які мають форму виступів і

впадин трикутної форми.

Результати досліджень тертя, проведені Кулоном, Ренні і Моріном,

послужили для виведення основних законів тертя і розвитку механічної

теорії. На підставі висновків Кулона встановлена наступна закономірність

тертя ковзання:

сила тертя пропорційна нормальній силі;

сила тертя не залежить від величини поверхні взаємного руху тіл,

які труться;

сила тертя не залежить від швидкості відносного руху тіл, які

труться.

16

Приймалося, що сила тертя залежить від властивостей тертьових

матеріалів і від стану вазаємодотичних поверхонь.

Молекулярну природу тертя досліджували І. Дезагюльє, А. Юінг,

М. Бріллюен, В. Гарді, Р. Томлінсон, В. Дерягин та інші.

Пояснення молекулярної теорії тертя гуртувалося на основі уявлення

про молекулярну природу речовин, тобто, існування молекулярного тяжіння і

відштовхування, як функції відстані між молекулами. Томлінсон Р. вважав,

що сила тяжіння незначна в порівнянні з силою, що притискує одне тіло до

іншого, і остання врівноважується силами молекулярного відштовхування

[15].

Журавльов С. висунув теорію сухого тертя [16], засновану на

припущенні, що поверхні, які труться вкриті безліччю виступів, мають

поверхню у формі кулі однакового радіусу та володіють різною висотою. За

цією теорією, процес тертя полягає в послідовному відриві дотичних молекул

і в утворенні нових молекулярних контактів.

Боуден Ф. на підставі досліджень [12] висунув теорію тертя, засновану

на припущенні, що при зіткненні двох поверхонь твердих тіл в точках

контакту проходить зварювання, а отже, взаємне переміщення поверхонь має

супроводжуватися безперервним зварюванням і руйнуванням в точках

контакту і виділенням тепла.

Ернст Г. і Мерчент М. на підставі досліджень тертя при різанні металів

висунули теорію тертя, яка виходить з наступних положень:

завжди має місце тільки пластичний контакт, напруга на контакті

не залежить від навантаження і обумовлена твердістю тіла;

метали при стисненні, звільнені від поверхневих плівок, миттєво

дифундують, утворюючи інтерметалічні з’єднання;

наявність стрибків при терті дозволяє припускати, що при ковзані

відбувається розплавлення металу.

При зіткненні двох поверхонь твердих тіл їх точки контактів пластично

деформуються і утворюють зони контактів.

17

Молекулярно-механічна теорія ґрунтується на припущенні, що тертя

має подвійну природу і обумовлено як взаємним впровадженням окремих

виступів, так і силами молекулярної взаємодії, тобто в результаті взаємного

впровадження при тангенціальному зміщення завжди відбувається механічне

пошкодження поверхонь, які контактують, а при досить тісному взаємному

зближенні виникає молекулярне тертя.

На думку І. В. Крагельського [17] тертя необхідно розраховувати

шляхом підсумовування опорів, що виникають на площадках молекулярної і

механічної взаємодії.

В роботі [18] Б. І. Костецький зробив висновок шляхом аналізу

мікрочасток металів і сплавів працюють в трибосполученні:

• кожна працююча деталь або сполучення деталей має чітко виражений

провідний вид зносу, що лімітує стійкість при експлуатації, і може мати

супутні види зносу,

• в основі існуючих при роботі деталей машин видів зносу (теплової,

окислювальної, абразивної) лежать явища, що підкоряються закономірностям

фізики твердого тіла.

Енергетична теорія тертя показує, що при русі одного тіла відносно

іншого, при значному взаємному впливі часток тіл, відбувається безперервне

перетворення енергії поступального руху тіла в енергію хвильових і

коливальних рухів частинок, в результаті чого виникають термоелектронні,

термічні, акустичні та інші явища.

Якісно процес тертя характеризується термоелектронними,

термічними, акустичними явищами, а кількісно – механічним ефектом.

Механічна енергія розсіяна в мікроскопічних частинках поверхневого шару і

є причиною виникнення термоелектронних, термічних явищ. Дисипація

механічної енергії в частинках маси поверхневого шару супроводжується

процесом механічного руйнування поверхневого шару, що веде до

збільшення зчеплення між поверхнями, які труться [18].

18

1.3. Роль ковзання в реалізації сили тяги локомотива

Одним з найважливіших критеріїв при оцінці динамічних процесів при

терті коченні вважають функціональну залежність сили зчеплення Ψ від

швидкості ковзання U, яку прийнято називати характеристикою зчеплення.

Дана залежність приведена на рисунку 1.1, а і може служити для визначення,

як величини коефіцієнта зчеплення, так і оцінки його стабільності в процесі

експлуатації без доведення коліс рухомого складу до боксування.

Прийнято розрізняти три гілки на цій залежності [19]: 1 - висхідна,

відповідає неповному ковзанню і зі зростанням зростає до свого

максимального значення; 2 - проміжна, відповідає приблизно постійному

(максимальному) коефіцієнту зчеплення. У цій зоні колесо знаходиться в

стані нестійкої рівноваги, яке відповідає неповному ковзанню і досить

незначного зміни обертаючого моменту або погіршення умов зчеплення, щоб

виникало боксування або повне ковзання; 3 - падаюча, при значеннях ε ε А

ковзання стає повним, при подальшому збільшенні швидкості ковзання

коефіцієнт зчеплення падає. У момент боксування перехід через максимум

супроводжується стрибкоподібним зменшенням сили зчеплення за

твердженням одних дослідників [20], а на думку інших [21, 22] – плавним

переходом. Функціональна залежність Ψ (ε) визначається падаючої гілкою

характеристики зчеплення.

Поверхні кочення коліс і рейок, які контактують, працюючи в певному

навколишньому середовищі, не є абсолютно чистими (рисунок 1.1, б) і

завжди вкриті поверхневими забрудненнями, які на 80-95% складаються з

твердих речовин, і в меншій кількості, з вологи і мастильних матеріалів , які і

визначають величину коефіцієнта зчеплення [23].

19

а)

б)

Рисунок 1.1 – Характеристика зчеплення Залежність сили зчеплення від

ковзання:

а: 1 - висхідна гілка; 2 - проміжна гілка; 3 - падаюча гілка при збільшенні

швидкості ковзання; 4 - падаюча гілка при зменшенні швидкості ковзання

б – характеристика зчеплення при різних умовах контактування колеса з

рейкою

20

Поверхневі забруднення утворюються частинками невизначеної форми

з дуже розвиненою поверхнею і розмірами більшості частинок 1 ... 3 мкм.

Товщина поверхневого шару забруднень неоднорідна по ширині доріжок

тертя, при цьому більш тонкі шари (товщиною 1 ... 20 мкм) і з меншою

кількістю мастильних речовин знаходяться в центральній частині доріжок

кочення коліс по рейках, а більш товсті ( ≥ 50 мкм) - по їх краях.

Найбільш істотний вплив на забруднення (стан) поверхонь контакту і,

отже, на величину коефіцієнта зчеплення мають: навколишнє повітря;

вологість повітря і атмосферні опади - пари і волога влітку, іній, сніг або лід

взимку; мастило, жир і інші органічні речовини, що потрапляють на поверхні

контакту; механічні забруднення мінеральними речовинами – бруд, пил,

продукти зносу гальмівних колодок і коліс, частки вантажу, що перевозиться

і т.п. Перераховані найважливіші фактори, як правило, діють спільно, хоча ті

чи інші з них зазвичай переважають.

1.4. Методи впливу на коефіцієнт зчеплення колеса локомотива з

рейкою

Управління контактом колеса з рейкою - складна задача, якою займалися

багато відомих учених. Дослідженню та встановленню закономірностей

процесів, що супроводжують зчеплення колеса з рейкою, присвячено низку

теоретичних та експериментальних робіт, таких вчених як: Андрєєв A.B.,

Боуден Ф., Бєляєв А.І., Вербек Г., Веріго М.Ф., Голубенко О.Л., Горбунов

М.І., Глаголєв М.І., Дьомін Ю.В., Джонсон Ц.Ф., Долганов А.Н., Ісаєв І.П.,

Казарінов О.В., Каменев М.М., Коняєв О.М., Коротенко М.Л., Косіков С.І.,

Костюкевич О.І., Крагельского І.В., Краузе Г., Крафт К., Лазарян В.А.,

Лісунов В.Н., Лужнов Ю.М., Марков Д.П., Марченко Д.М., Мінов Д.К.,

Осенін Ю.І., Павленко А.П., Петров М.П., Попов В.О., Самме Г.В., Сакало

В.І., Сапронова С.Ю., Сафонов О.М., Спіцин М.А., Тартаковський Е.Д.,

Тібілов Т.О., Ткаченко В.П., Ушкалов В.Ф., Емілсон С., Фалендиш А.П. та

інші.

21

Величина тертя впливає на умови взаємодії в системі «колесо-рейка» і,

в кінцевому підсумку, на експлуатаційні витрати залізничних доріг.

При високому рівні коефіцієнта терті між гребенем колеса і бічною

робочою гранню головки рейки зростає витрата палива на тягу поїздів,

підвищується знос гребенів коліс і рейок, в ряді випадків можливі сходи

вагонів. При низькому рівні коефіцієнта тертя між бандажем і поверхнею

кочення головки рейки знижується зчеплення між колесом і рейкою,

збільшується довжина гальмівного шляху [12].

Тому важливими завданнями є підвищення коефіцієнта зчеплення в

зоні контакту колесо-рейка, і зниження тертя в зоні контакту гребінь колеса-

рейка для зменшення зносу бічної грані колеса і зниження ризику сходження

рухомого складу з рейок.

Найбільш ефективні методи оптимізації фрикційного взаємодії колеса з

рейкою представлені на рисунку 1.2.

К методам збільшення коефіцієнту зчеплення відноситься очищення

(механічне, хімічне, гідроструйне, сухим льодом, пневмо-імпульсне,

джерелом високих енергій: лазерне, НВЧ і УФ, плазмове) та активація тертя

(електричним струмом, магнітним полем, подача сипучих матеріалів:

кварцового піску, керамічних частин). В свою чергу к методам зниження

тертя у контакті реборда колеса рейка – нанесення мастильних матеріалів

(рейка колеса), антифрикційні покриття (покриття на базі мінеральних

порошків, полімерні антифрикційні матеріали).

З рисунку 1.3 можна зробити висновки, перше завдання оптимізації

фрикційного взаємодії колеса з рейкою (забезпечення стабільно високого

коефіцієнта зчеплення в зоні контакту колеса з рейкою) може бути вирішене

двома способами - очищенням поверхонь, що контактують від забруднень

або введенням в зону контакту різних речовин (активаторів).

22

Рисунок 1.2 – Методи оптимізації фрикційного взаємодії колеса з рейкою

23

Ці завдання зводяться до керування поверхневим шаром, як основного

фактору, який безпосередньо впливає на процеси, що протікають при терті

колеса по рейці. Основні параметри якості поверхневого шару представлені у

вигляді схеми на рисунку 1.3.

Рисунок 1.3 – Параметри якості поверхневого шару

На межі розподілу двох середовищ (метал-метал) існує надлишок

вільної енергії. Тому, керування процесами у контакті колеса з рейкою

зводиться до управління поверхневою енергією, завдяки якій можна

змінювати стан поверхневого шару і впливати на процес зчеплення.

Наведемо основні методи оптимізації фрикційного взаємодії колеса з

рейкою.

Механічне очищення.

Під механічним очищення розуміють механічне видалення з робочої

поверхні головок рейок (коліс) забруднень, що відбувається за допомогою

спеціальних пристроїв, розташованих попереду рухомого екіпажу. До

недоліків слід додати невисоку ступінь очищення, низьку швидкодію

(можливість використання в обмеженому діапазоні швидкості руху до 15-20

км/год), є вельми трудомістким і не завжди ефективним способом, тому що

адсорбовані плівки майже неможливо механічно видалити.

24

Пневмо-і гідроструйне очищення.

Пневмо-і гідроструйне очищення застосовують дуже рідко для

видалення з рейок пилу і снігу - перед крайніми колісними парами

швейцарських електровозів серії Re 4/4, розміщені по дві трубки, одна з яких

служить для попередньої, а друга для чистової очищення поверхні рейки

[24].До недоліків слід віднести низьку швидкодію, негативний вплив (даний

метод сприяють посиленій корозії рейок) та необхідність встановлення

обладнання для зберігання і нагрівання води.

Хімічне очищення.

Полягає у використанні розчинів різних ефірів, ацетону, бензолу,

деяких кислот, хімікатів які мають в своєму складі кварц, та засновані на

швидкій хімічній взаємодії подаються на рейки хімікатів і органічною

складовою забруднень. Існує спосіб для збільшення зчеплення колеса з

рейкою [25], який полягає в тому, що рідину перед нанесенням на рейки

обробляють ультразвуковим випромінюванням і доводять її до стану

кавітації, і в цьому стані подають на поверхню рейок. Обробку рідини

здійснюють ультразвуковими коливаннями з частотою 18–20 кГц при

звуковому тиску 1 ∙ 105-1 ∙ 106 Н/м2 протягом 0,1–10 хв.

Електроіскрове очищення.

Обумовлює високотемпературний вплив на контактуючі поверхні

колеса або рейки, завдяки чому досягається висока ступінь їх очищення від

усіх забруднень, включаючи і адсорбовані плівки газів, які є однією з причин

зниження коефіцієнта зчеплення. Металографічне дослідження робочих

поверхонь показало, що при електричному впливі відбувається утворення на

оброблених поверхнях тонкого шару мартенситу з перехідною зоною

змішаної структури.

Очищення рейок водою під тиском.

Прийнятна якість очищення досягається при робочій швидкості 40

км/год, яку, проте, намагаються підвищити до 50 км/год, щоб модульну

установку можна було використовувати без перешкод для руху поїздів,

25

наприклад, на лініях міської залізниці. Агрегат високого тиску є основою

установки. Він складається з дизеля, паливного бака, триступінчатого

плунжерного насоса і системи управління і регулювання. Для кожної рейки

використовується своя робоча головка, основними вузлами якої є

розпилювач з п'ятьма соплами. У транспортному положенні робочі головки

підняте. У результаті розбризкування по поверхні рейки води під тиском

утворюється водяний пил, насичений частками мастильної плівки і

відсмоктується потім двома вихровими насосами з електричним приводом. У

сепараторі він очищається від захоплених твердих частинок і потім

потрапляє в збірну ємність. Остання являє собою двосекційний резервуар з

мембраною, що відокремлює чисту воду від брудної. З кабіни, яка також

розміщується в контейнері, оператор управляє всією системою. Електронні

вузли розміщуються в приладовому шафі. Тут же знаходяться електронні

елементи супутникової системи визначення місця розташування агрегату і

монітор для візуального контролю роботи голівок.

Подача гарячого повітря.

Відомо спосіб і пристрій подачі гарячого повітря для підвищення

зчіпних властивостей локомотива, що містить розташовані попарно у

кожного колеса форсунки переднього і заднього ходу для подачі в момент

початку боксування колеса з рейкою гарячого стисненого повітря в область

контакту, зі швидкістю і температурою (+ 375 ° ÷ 430 ° С ). Перевагою даного

способу є зниження експлуатаційних витрат (піску).

Плазмове очищення.

Плазмове очищення рейкового шляху перед проходженням поїзда,

одне з перспективних способів підвищення коефіцієнта зчеплення [26]. При

цьому на локомотиві встановлюються два генератора низькотемпературної

плазми (плазмотрона), що живляться від джерела електричного струму.

Проведені лабораторні дослідження плазмових генераторів дозволили

встановити принципову можливість використання плазми для зняття

26

антифрикційних покриттів з робочої поверхні рейки, що погіршують

зчеплення локомотива.

Лазерне очищення.

Лазерне очищення рейок полягає в направленні імпульсного променю

високої інтенсивності на поверхню рейки для руйнування забруднень з його

поверхні [27]. До недоліків слід додати необхідність у відносно високій

швидкості очищення, приблизно дорівнює 60 км/год, а для забезпечення

оптимальної якості очищення необхідно одночасне дію кількох лазерів з

потужністю в імпульсі 100 кВт.

При видаленні за допомогою лазера покриттів або плівок, вони (на

площі <1 мм2) розігріваються до температури, що перевищує поріг

випаровування, не піддаючи при цьому основний матеріал термічному

впливу. Завдяки цьому плівку вдається видалити майже без шкоди для

основного матеріалу. Оброблювана поверхня не встигає розігрітися через

занадто велику загальну кількість введеної енергії. Випаровування матеріалу

плівки відбувається надзвичайно локально, так що пар і частинки матеріалу

плівки, які утворюється можуть успішно уловлюватися і відводитися, не

потрапляючи в атмосферу. Тому в даному випадку мова йде про екологічно

чистий процес.

Для видалення за допомогою лазерного випромінювання тонких шарів

(товщиною <1 мкм) в основному застосовують імпульсний лазер типу

Excimer з довжиною хвилі ультрафіолетової області та частотно-

конвертований на алюмоітрієвому гранаті та склі з неодимом (Nd: YAG). Для

шарів товщиною від 1 мкм до 1 мм найчастіше застосовують Nd: YAG з

довжиною хвилі 1,06 мкм і лазер на СО2 з довжиною хвилі 10,6 мкм, тобто з

довжинами хвиль інфрачервоної області. Істотною перевагою системи Nd:

YAG є можливість передачі лазерного випромінювання майже без втрат

потужності на велику відстань (понад 50 м) за допомогою волоконно-

оптичних світловодів. Для різних умов застосування розроблені різноманітні

конструкції робочих головок - від оптики з ручним управлінням до

27

автоматизованих оптичних обробних систем, інтегрованих у виробничі

процеси.

Обробка НВЧ і УФ.

Обробка НВЧ і УФ випромінюванням реалізується наступним чином:

на поверхню контакту колеса і рейки подається потік електромагнітної

енергії регульованою надвисокої частоти від 3 ∙ 105 до 3 ∙ 1010 Гц, при цьому

на контактну поверхню рейок додатково впливають потоком регульованого

ультрафіолетового випромінювання частот від 3 ∙ 1013 до 3 ∙ 1014 Гц [28]. Це

призводить до руйнування структур забруднення рейки, а також видалення

вологи з зони контакту.

Подача модифікаторів тертя

Переваги управління тертям подачею модифікаторів тертя виявляються

коли на поверхню кочення наноситься шар, що забезпечує помірну величину

коефіцієнта тертя, тобто 0,3 - 0,4. Протягом тривалого часу змащування

внутрішньої грані головки рейок використовувалося залізницями для

регулювання зносу, а останнім часом - і для зниження енерговитрат на тягу

поїздів. Однак якщо в конкретному місці нанесено надмірна кількість

мастила, результатом цього зазвичай має місце її перенесення на поверхню

кочення. Зайва кількість мастильного матеріалу на поверхні кочення може

призвести до прослизання коліс, зниження ефективності тяги і гальмування.

В даний час на залізниці, для керування тертям, на поверхні кочення

рейок, найбільш широко використовуються напольні пристрої [29]. Типовий

пристрій такого роду аналогічно звичайному напольному пристрою для

змащування внутрішньої грані головки рейок (лубрікатор). Найбільш

помітною зовнішньою відмінністю є те, що пристосування для нанесення

модифікатора тертя розташовані з зовнішньої, а не з внутрішньої сторони

рейок.

Результати проведених на залізничних коліях експериментів із

застосування напольних пристроїв для нанесення модифікатора тертя на

поверхню кочення підтвердили, що їх встановлення, дозволяє зменшити

28

величину бічних сил при вписування в криві на 25 - 35%. Разом з тим в

залежності від напрямку руху і відстані від пристрою, можливо більше або

менше зниження сил вписування для кожного конкретного поїзда.

Мобільні пристрої для нанесення модифікаторів тертя на поверхню

кочення внаслідок складності використовуються рідко.

Напольні і мобільні пристрої для нанесення модифікатора тертя на

поверхню кочення поступово все ширше розповсюджуються на залізницях.

Напольні пристрої в даний час переважають, підвищується інтерес до

мобільних пристроїв, тому що з їх застосуванням можна обробляти шлях

більшої протяжності. Щоб такі пристрої були більш ефективними, необхідно

підвищити їх надійність і точність регулювання з адаптацією до конкретного

місця використання.

Подача керамічних часток.

Спосіб подачі керамічних часток застосовується кампанією Tess

(Японія) [30] і призначений для запобігання боксування, що досягається

завдяки забезпеченню рівномірного надходження і розподілу по поверхні

кочення рейки частинок твердої кераміки.

Подача магнітних матеріалів.

Подача матеріалів, які мають магнітні властивості відносно новий

спосіб, при цьому способі, абразивний порошок, що має магнітні властивості,

подається в зону контакту за допомогою магнітних сил, що здійснюють не

тільки розподіл, але і частковий збір відпрацьованого порошку з тим, щоб

використовувати його багато разів.

Подача електризованих часток піску.

Цей спосіб полягає у застосуванні одного шару піску в контакті

«колесо-рейка». Даний ефект досягається за рахунок попередньої

електризації абразивного сипучого матеріалу. Розроблено ряд технічних

рішень по конструкції пісочної системи заснованої на електризації частинок і

способам підвищення зчеплення колеса з рейкою [31]. І один з

29

найпоширеніших спосіб, в наслідок своєї доступності і дешевизни, подача

кварцового піску під колеса локомотива.

Зараз, як зазначалось вище, основний спосіб підвищення зчеплення –

очищення поверхонь контакту «колесо-рейка», методом подачі під колеса

локомотива кварцового піску.

Подача піску.

При рушенні локомотива з місця, для зменшення вірогідності

буксування, при проходженні зі складом в кривих, на підйомі або при

різкому гальмуванні (щоб уникнути юза), особливо, якщо поверхні рейок

замаслена або волога, під колеса подають пісок. На сучасних локомотивах

найбільшого поширення набула пісочна система з дистанційним

електропневматичним керуванням. У пісочну систему входять: бункери для

зберігання піску, електропневматичні клапани, повітророзподільники,

форсунки, трубопроводи, електрична система управління. Схему пісочної

системи локомотива зображено на рисунку 1.4.

Пісок підсипають під крайні колісні пари кожній візки, тобто під

чотири колісні пари. При русі локомотива пісок на рейки подають тільки під

дві колісні пари (передні по напрямку руху кожної візки). Керують пісочної

системою за допомогою педалі 9, розташованої в кабіні машиніста. При

натисканні на педаль пісочниці замикається електричний ланцюг, і струм від

джерела живлення надходить до контактів реверсора, а потім до котушки

соленоїда електропневмовентілей 8 переднього або заднього ходу. Клапан

електропневмовентіля 8 відкриває доступ повітря з живильної магістралі до

розподільниках повітря 6, які направляють повітря з магістралі через

редукційні клапани до форсунок пісочниць.

30

Рисунок 1.4 – Принципова схема піскоструминної системи:

1 – форсунка, 2 – передній бункер; 3 – наконечник; 4, 5 – шланги;

6 – повітрярозподільник, 7 – роз'єднувальний кран;

8 – електропневмовентіль; 9 – задній бункер

Дослідження ЦНДІ МПС показали, що максимальна кількість піску, що

подається в контакт колеса з рейкою для ефективного зчеплення, має

становити 0,6-1 кг/хв. Подача піску не повинна перевищувати 1,5-1,6 кг/хв

для електровозів і 50% цієї кількості - для тепловозів, враховуючи неминучі

втрати піску від бічного вітру, а також імпульсну роботу пісочниць. При

збільшенні швидкості руху локомотива від 6 до 20 км/год кількість піску слід

збільшувати на 20-30%. Найбільший ефект у підвищенні тягового зусилля

досягається застосуванням піску з розмірами зернин 0,1-0,3 мм. [32].

До недоліків відноситься: надмірна і неконтрольована подача піску

знижує ефективність його застосування (найбільший ефект досягається при

подачі піску в один шар), а також викликає забруднення баластної призми,

рейкошпальної решітки та деталі рухомого складу. За даними [33], кількість

піску, що не потрапила в зону контакту колеса з рейкою, представляє в

середньому від 20 до 60% від загальної кількості подаваного піску,

31

збільшення опору руху рухомого складу досягає 20%, що особливо помітно

при проході кривих ділянок колії, де наявність залишків піску на рейках

перешкоджає та ускладнює поперечне переміщення вагонних коліс.

Після багаторічних спроб виділити кращий спосіб змащування

поверхонь тертя, в ході досліджень встановлено, що всі відомі способи (за

допомогою лубрикаторів стаціонарних і встановлених на спеціальних

самохідних транспортних засобах на комбінованому автомобільно -

рейковому ходу або на локомотивах) мають властиві їм окремі переваги та

недоліки. З огляду на що, умови застосування змащування безпосередньо

впливають на фізико - механічні та структурні характеристики поверхневого

шару тертьових поверхонь. Проведемо класифікацію методів подачі

змащування в залежності від його агрегатного стану: тверде, рідке і

газоподібне (рисунок 1.5)[34].

Проведений аналіз патентних і літературних джерел показав, що в

локомотивобудуванні при використанні твердих змащувальних матеріалів

застосовується тверде мастило - графіт, дисульфід молібдену, що містять

фторповерхнево-активні речовини (ПАР), при використанні рідких

мастильних матеріалів використовуються методи подачі струменів олії під

високим тиском, поливом струменем, яка вільно падає і розпорошеною

подачею змащування, газове змащування трибоконтакту «гребінь колесо-

рейка» детально не досліджено.

Дослідження В.Н. Латишева, А. М. Вульфа [35] по визначенню впливу

кисню на контактну пару встановили, що залежно від температури в зоні

контакту кисень може впливати як позитивно, так і негативно. Залізо має

кілька оксидів Fe2O, Fe3O4, Fe2O3. При контактних температурах 450-500 0С

на металевих поверхнях утворюються оксиди Fe, які при подальшому

збільшенні температури при структурній перебудові переходять в Fe2O3, що

інтенсифікує хіміко-механічне зношування, а Fe3O4 знижує тертя.

32

Т вер д е м а ст и л о

мет

од

дет

он

ац

ійн

ог о

на

пи

лю

в ан

ня

мет

од

г аз о

пл

азм

ов о

г о

на

пи

ле н

ня

мет

од

іо нн

о -пл

азмово го

на

пи

ле нн

я

мет

од

у л ьтр а звук о во ї

о бр о бк и

ма

гніт

ни

й м

ето

д

Рід

ке

ма

сти

ло

п о л и во м в іл ьн оп ад а ю ч о го с т р у м ен я

ви сокон а п ірн и мст рум ен ем

р іди н и

р о зп и л ю ва н и мст р у м ен е м

р ід и н и

п о д а ч а у в и г л я д і

п ін и

Га

зо

ве

зм

ащ

енн

я

г аз ост а т и ч н а п ода ч а

га з о д и н а м іч н а п о д а ч а

р о та п р и

н тн

и й

ме т

о д

Кристали

Гельротапринтний

метод

подача череззмащення

Аерозолькапельная подача

распыление

разбрызгивание

Методи подачізмащення

Пла

зма

Дисперсна система

ротапринтний метод

подача череззмащування

Аморфне твер

де маст

ило

поливом свободно

падающ

ей струи

высоконапорной

струей ж

идкости

катодний метод

магнетроний метод

високочастотний метод

у несамостійному газовому розряді

Рисунок 1.5. – Класифікація методів подачі мастила в трибосполучення [34]

Дослідженнями [34] встановлено, що активність кисню в значній мірі

залежить від стану, у якому він присутній у контактній зоні (радикали,

атомарний, молекулярний кисень, озон й ін.).

1.5. Аналіз методів впливу на фрикційні характеристики в парах

тертя

Вплив зовнішнього середовища на властивості твердих тіл в зоні

контакту може здійснюватися різними шляхами. По-перше, може мати місце

безпосередній прояв ефекту зниження міцності і полегшення деформації

33

твердих тіл в умовах зниження їх поверхневої енергії. По-друге, можливий

варіант, коли в мастильному середовищі в результаті механіко-хімічних

реакцій та поверхневого диспергування створюється міцно пов'язаний з

поверхнями контактуючих матеріалів поверхневий шар, відмінний від них за

своєю структурою і властивостями. З цим можуть бути пов'язані такі ефекти,

як корозія, старіння, дифузійні процеси та інше.

Властивості окисних плівок, що виникають на тертьових поверхнях,

залежать від активності і контакту з киснем повітря. Оптимальне

пасивування забезпечується при тиску повітря для тертя без змащуючого

матеріалу в діапазоні від 13 Па і вище, для граничних умов тертя - від 13 до

13×10-4 Па. Зменшення концентрації кисню в зоні тертя обумовлює

формування тонких ненасичених структур, пов'язаних з основним

матеріалом. Подальше збільшення розрядження вважається небажаним через

втрату екрануючих властивостей.

Іншим ефективним способом управління зношуванням є введення в

триботехнічну середу спеціальних адсорбційних і хімічно активних

присадок. В результаті взаємодії присадок з активованим поверхневим

шаром матеріалу утворюються вторинні структури безкисневого

походження, які мають більш високу зносостійкість, ніж окисні. Такими

присадками є, наприклад, роданіди міді, заліза і марганцю, а також деякі

комплексні: сірчані-, насичені фосфором і хлорвмісні з'єднання. Вважається

перспективним напрямом впливу на працездатність пари тертя, введення в

середу поверхнево-активних речовин (ПАР), в якості яких найчастіше

використовують вуглеводні речовини. Ефективність дії ПАР, як правило,

спостерігається лише у певній, хоча і досить широкій області швидкостей

деформації. Положення цієї області залежить від температури в зоні

контакту.

В основі ефекту адсорбційного пластифікування лежить поверхнева

взаємодія металу із середовищем. Результати чисельних досліджень

підтвердили, що хоча первинною дією ПАР є пластифікування матеріалу,

34

кінцевим етапом може виявитися значне зміцнення поверхневих шарів

внаслідок дуже великої пластичної деформації. Активна середа на деякому

етапі зміцнення шару може сприяти і зниженню міцності, це пов’язано з

проникненням молекул ПАР в тріщини пошкоджуваного поверхневого шару

[36]. Крім того, при терті в середовищі ПАР, зменшується глибина

наклепаного шару, що є позитивним з позицій підвищення зносостійкості.

Особлива роль ПАР середовища проявляється у зміні дислокаційної

структури в деформованому шарі і підвищення щільності дислокацій до 1,5

раз у порівнянні з вихідним субструктурним станом.

З твердих мастильних матеріалів у вузлах тертя часто застосовують

дисульфіди молібдену і вольфраму На повітрі MoS2 в інтервалі температур

до 350 0С окислюється до МоО3 або SeO3. При температурі вище 480 0С

окислення протікає дуже швидко, в вакуумі цей мастильний матеріал

стабільний аж до температур 1100 0С.

Заслуговує уваги з позицій підвищення працездатності спосіб впливу на

тертя і зношування електричного струму, який пропускається через

змащений контакт тертя. При цьому зазначено зміна циклічності в реалізації

механізмів тертя, що пояснюється особливістю формування дислокаційної

структури в активному шарі матеріалу.

1.6. Експертне оцінювання. Вибір напряму дослідження

При виборі подальшого напряму дослідження необхідно визначити

найбільш ефективні методи підвищення зчеплення коліс з рейками в

експлуатації. Для правильного вибору потрібно оцінити кожен метод по

представленим параметрам:

ефективність очищення поверхонь;

безпека застосування та експлуатації;

дія на взаємодіючі поверхні (різні види зносу);

швидкодія методу (необхідний час для досягнення стабільно

високого коефіцієнту зчеплення);

35

енергоспоживання методу (електрична енергія, стиснуте повітря,

тощо);

вартість виготовлення та встановлювання обладнання;

складність модернізації існуючого обладнання.

В більшості випадків, тільки лише на основі аналізу джерел інформації,

досліднику складно з достатнім ступенем об’єктивності оцінити всі

представлені методи, та й просто виділити найбільш ефективні. Наразі

рішення завдань науково-технічного та економічного прогнозування свідчить

про актуальності використання експертних оцінок [37, 38], які передбачають

опитування експертів, аналіз літературних та експлуатаційних даних в цілях

ранжування всіх факторів по ступеню їх впливу на вихідну величину. Метод

експертних оцінок широко застосовується при прогнозуванні ефективності

використання тих або інших технічних рішень [39].

Використовуючи метод експертного оцінювання, проведено опитування

компетентних експертів-фахівців в цій області знань: вчених-дослідників і

представників підприємств-виробників залізничного транспорту і його

елементів, інженерів-конструкторів. Найбільш ефективними способами

роботи з експертами вважаються інтерв’ювання та анкетування. В роботі

було обрано другий спосіб, який дозволяє експертам не тільки глибоко

зосередитися на вирішальній проблемі, але й додатково вивчити різноманітні

способи її вирішення. Експертам пропонувалося заповнити анкету, в якій

перелічені методи підвищення зчеплення (і зниження зчеплення) коліс з

рейками, і оцінити кожен з них по ступеню пливу на процеси що

розглядаються, для вибору більш ефективного методу.

Вибір шкали оцінок – найбільш важливе завдання в загальній

процедурі експертних оцінок. Він полягає в рішенні двох завдань: вибір

форми вираження оцінки та вибір способу його формування. При

анкетування експертів використовувалася бальна шкала, що дозволяла

оцінити об’єкт в безрозмірних одиницях (балах), які характеризують

корисність об’єкту з точки зору експерту. Кожен фактор (метод)

36

пропонувалося оцінити по десятибальній шкалі (вища оцінка 10, найнижча 1)

в залежності від ступеню його важливості. За результатами проведеного

розрахунку ваги кожного фактору iW будувалася діаграма рангів (рисунок

1.6).

Встановлено, що за оцінками експертів-фахівців у галузі залізничного

транспорту, найбільш ефективними методами підвищення зчеплення є

запропонований автором метод подачі електричного струму, а також метод

струмино-абразивного очищення і метод подачі піску (класичний метод).

Більшість експертів серед методів підвищення зчеплення виділили

використання класичного методу подачі піску під колеса, шліфування рейок,

очищення сухим льодом і перспективного методу - активацію електричним

струмом. Серед методів зниження тертя, основними виявилися методи

нанесення мастильних матеріалів як на гребені колісних пар, так і на рейки,

нанесення полімерних антифрикційних матеріалів, і одного з перспективних

методів - охолодження поверхонь шляхом подачі озонованого повітряного

потоку. Результати опитування є основоположним фактом для прийняття

рішення при виборі подальшого напряму досліджень для поліпшення

взаємодії в двоточковому контакті «колесо-рейка».

а)

37

б)

Рисунок 1.6 – Діаграма рангів

а – методи підвищення коефіцієнта зчеплення: 1 – активація електричним

струмом, 2 – гідроструменеве очищення, 3 – пневмоструменеве очищення,

4 – шліфування рейок, 5 – очищення сухим льодом, 6 – лазерне очищення,

7 - використання модифікаторів тертя, 8 – плазмове очищення, 9 – очистка

НВЧ і УФ, 10 – подача керамічних частинок, 11 – хімічне очищення, 12 –

очищення магнітним полем, 13 – механічне очищення;

б – методи зниження коефіцієнта зчеплення колеса з рейкою: 1 – нанесення

реметалізаторів на поверхню тертя, 2 – нанесення порошків на базі мінералів,

3 – нанесення полімерних антифрикційних матеріалів, 4 – нанесення

матеріалів, що мають магнітні властивості, 5 – подача озонованого

повітряного потоку, 6 - нанесення змащувальних матеріалів на рейки, 7 –

нанесення мастильних матеріалів на гребені коліс колісних пар

Для проведення подальших досліджень були обрані методи

пропускання електричного струму для підвищення зчеплення у контакті

«доріжка кочення - рейка» і подачі озонованого повітряного потоку для

зниження зносу в контакті «гребінь колеса-рейка», як найменш досліджений,

з метою перевірки перспективності і ефективний його застосування.

38

1.7 Дослідження впливу активованого повітряного потоку на

трибосполучень (озон, іонізоване повітря)

За здатністю, окислювальний озон (окислювальний потенціал 2,07 В),

займає третє місце серед відомих окислювачів, і поступається лише фтору

(окислювальний потенціал 2,41 В) та фториду кисню. Своєю високою

активністю озон зобов'язаний, в основному, атомарному кисню, який легко

віддає при дисоціації молекули в хімічній реакції. Озон окисляє всі метали за

винятком золота та елементів платинової групи, також активно вступає в

реакції з ароматичними сполуками (зокрема, з фенолами) з руйнуванням

ароматичного ядра. Особливою перевагою озону є те, що він являє собою

найбільш екологічно чистий окислювач, фунгіцид, дезодоратор і

дезінфектант володіє адсорбційним впливом на метали. Виробництво і

застосування озону не призводить до вторинного забруднення

навколишнього середовища, і він не дає небажаних побічних продуктів.

Невикористаний озон, розпадаючись, знову перетворюється в газоподібний

двоатомний кисень.

Явище адсорбційного впливу зовнішнього середовища на механічні

властивості і структуру твердих тіл стало відомо в 20-ті роки російським

вченим, академіком П.А. Ребіндером [40], сутність цього явища, полягає в

полегшенні деформування і руйнуванні твердих тіл і самостійному

протіканні в них структурних змін в результаті зниження їх вільної

поверхневої енергії при контакті із середовищем, що містить речовини,

здатні до адсорбції на міжфазній поверхні.

Другим ефектом, обумовленим дією плівок на механічні властивості

твердих тіл, є ефект Роско [41]. Вчений спостерігав зростання твердості

поверхневого шару металу в присутності оксиду. Цей ефект важливий для

сполучень які рухаються, і працюють в різних умовах тертя.

Вищеназвані ефекти, перший, зміцнює поверхню, а другий розм'якшує.

Відповідно напруги, необхідні для досягнення однієї і тієї ж пластичної

39

деформації в першому випадку вище, ніж в нормальних умовах, а в другому

нижче.

Аналізуючи фрикційні характеристики поверхонь, на яких

реалізуються дані ефекти, можна спостерігати суттєві відмінності в їх

поведінці, рисунок 1.7.

Таким чином, можна зробити висновок: коефіцієнт тертя мінімальний,

у разі, коли на поверхні знаходиться поверхнево-активна сполука, оскільки

при цьому знижується опір зрушенню в порівнянні з тертям по окисній

плівці (рисунок 1.7 б) [42].

Рисунок 1.7 – Знос а – і коефіцієнт тертя кулі, яка ковзається по металевій

поверхні: 1 – чиста поверхня, 2 – окислена, 3 – поверхня, покрита водою.

Швидкість ковзання 0,023 м / с, середа – сухий аргон

Процес тертя, що відбувається при обробці металу різцем і в контакті

колеса з рейкою подібні по деяким параметрам. В якості однієї з поверхнево-

активної речовини в металообробці використовують озоноване повітря, яке

призводить до збільшення стійкості інструменту в результаті охолоджуючого

і пластифікуючого ефекту і підвищує якість і продуктивність обробки.

40

Управління поверхневим шаром, наприклад подачею озонованого повітря в

трибосполучення «колесо-рейка» є не до кінця дослідженим явищем.

Озонування пристроїв в металообробці забезпечує охолоджуючу дію

ріжучої кромки інструменту завдяки зарядженим частинкам (іонам озону) в

потоці повітря, що підвищує опір інструменту зношуванню і продуктивність

обробки [43].

Фізико-хімічний механізм охолодження зарядженими частинками іонів

повітря обумовлений зміною умов взаємодії ріжучого клину інструмента з

оброблюваним матеріалом. В результаті відбувається зміна в зношуванні

робочих поверхонь інструмента.

В цьому випадку фізико-хімічний механізм зносу слід розглядати як

механічну, адгезійну і дифузійну взаємодію поверхонь, в результаті якої,

змінюються механічні властивості, структура, фазовий склад і хімічна

активність поверхневих шарів.

На основі викладеного, в процесі різання створено систему «сухого»

різання.

В процесі обробки змінюючи тиск озонованого повітря та напруги в

озонаторі, які керують цим процесом, створюють ефект охолодження і

пластифікації, тому що озонована середа має високу конвекційну здатність.

В результаті температура в зоні контакту ріжучого клину інструмента

та оброблюваного матеріалу знижується завдяки збільшенню кількості

заряджених частинок озону, тобто відбувається швидкий процес пасивації

[43].

Повітряна маса, проходячи безпосередньо через зону різання, збільшує

коефіцієнт масопередачі, внаслідок чого відбувається заміна молекулярної

дифузії на конвективну, що помітно підвищує тепловіддачу системи різання

в навколишнє середовище і приводить до її охолодження.

Експериментальні дослідження проведені в лабораторних умовах [44] з

використанням сучасної контрольно-вимірювальної апаратури, показали

наступне, на стадії припрацьовуємого зношування озонована середа

41

повністю виконує свої функції, тобто забезпечує зниження термомеханічних

навантажень на контактні площадки інструменту, що ефективно гальмує

зношування поверхні. Результат досліджень представлений на рисунку 1.8.

Рисунок 1.8 – Залежність зносу h3 = f (τ) при точінні сталі 45 (180HB)

різцями зі швидкорізальної сталі Р6М5:

1 – без мастильно-охолоджувальної рідини (МОР); 2 – з використанням МОР;

3 – зі стисненим повітрям, 4 – з озонованим повітрям

В результаті досліджень [43] було встановлено, що стійкість різального

інструмента із застосуванням озонованого потоку в 4 ... 5 разів вище, ніж при

обробці без МОР, в 3 ... 4 рази вище, ніж при обробці з СОЖ і в 1,5 ... 2 рази

вище, ніж при обробці зі стисненим повітрям.

Таким чином, дослідження визначення впливу озонованого повітря на

процеси, що відбуваються в контакті колесо-рейка, є актуальними, до кінця

не вивчені і вимагають додаткових досліджень.

Крім того, згідно дослідженням [45], технології використання в якості

мастильно-охолоджуючої рідини іонізованого повітря отримали назву «сухе

електростатичне охолодження». Можливий вплив іонізованого повітря на

процес тертя полягає в зміні структурного стану робочих поверхонь

трибосполучень завдяки зарядженим частинкам (іонів озону) в потоці повітря

[46].

42

Фізико-хімічний механізм охолодження зарядженими частинками іонів

повітря обумовлений зміною умов взаємодії інструменту з оброблюваним

матеріалом. В результаті відбувається зміна в зношуванні робочих поверхонь

інструменту та матеріалу. Також, завдяки привнесенню в зону різання

уніполярних зарядів на поверхні тертя утворюються оксидні плівки, їх дія

реалізується за допомогою екранування адгезії, що сприяє зменшенню тертя.

Іонізоване повітря має більш інтенсивну охолоджуючу дію в

порівнянні з неіонізованій, завдяки наявності як нейтральних, так і

заряджених часток. Перенесення теплопровідності позитивно зарядженими

іонами відносно невелике, в порівнянні з електронами, в наслідок значно

менших швидкостей переміщення важких часток. Теплопровідність

іонізованого повітря збільшується зі зростанням температури [47].

Автори [48] стверджують, що, змінюючи режими іонізації, а саме

намагаючись впливати електромагнітними полями, можна керувати

елементним і фазовим складом приповерхневого шару.

У США запатентовано пристрій для охолодження зони різання за

допомогою коронного розряду [49]. Розряд виникає між катодом і

охолоджуючої поверхнею інструменту. Утворений розряд фокусується

магнітним полем, наведеним електромагнітним кільцем, яке знаходиться між

електродом високого потенціалу та поверхнею інструменту в циліндричному

корпусі. Випробування пристрою охолодження показали, що знос

інструменту зменшується в середньому на 40%, в порівнянні з різанням у

відсутності коронного розряду.

Технологія СЕО при чистовому точінні дозволяє знизити знос по

задній поверхні різця в середньому в 1,6 рази. Що свідчить про пер-

перспективність застосування даного способу охолодження.

43

1.8 Вплив електричного струму на контактну взаємодію твердих

тіл

Гордієнко С.Л. і П.Л. після проведення експерименту тертя із

бронзовими зразками електрично ізольованих один від одного, зробили

висновок, про те, що електричний струм, що виникає при терті металевих тіл,

так само як і струм, що надходить від зовнішнього джерела, при проходженні

через тертьові поверхні, робить на них ерозійну, руйнуючу дію [50].

А.Д. Дубінін [42] провів дослідження явища виникнення електричного

струму при різних видах взаємодії твердих тіл, зокрема, при обробці різних

матеріалів різанням. В результаті його досліджень можна зробити висновок,

що не тільки при терті, а й за будь-яких видах впливу на поверхневі шари

твердого тіла в них виникає різниця потенціалів з протіканням електричного

струму. Величина потенціалів та їх характер залежать від усіх тих факторів,

які впливають на величину зносу тертьових поверхонь, тобто від тиску.

Швидкості, виду руху, матеріалу тертьових тіл, стану тертьових поверхонь і

т.д.

Дубінін А.Д. проводить аналогію між процесом руйнування металу під

дією короткочасних електричних розрядів, які спостерігаються при

електроіскрової обробці металів, і руйнуванням металу електричним

струмом, що виникають при терті [42].

Процес утворення і генерування електричних зарядів при терті дуже

короткочасний: це коливальний і швидко протікає процес. Дослідження

електризації тертям виробляються на тертьових тілах безпосередньо в

процесі їх роботи.

Для визначення впливу на перебіг коливань електричних потенціалів в

поверхневому шарі матеріалу при різних видах механічної дії на нього

навколишнього середовища були проведені випробування [42], встановлено,

що величина струму залежить від швидкості: зі збільшенням швидкості –

струм збільшується, до певної межі, характерного для кожного металу.

44

Це пояснюється міцністю зв'язків електронів в атомі, і вимірюється

роботою яку необхідно здійснити для зведення до нуля взаємодії між

атомами і електронами. Робота видалення електронів провідності з металу

визначається контактним стрибком потенціалу, який є причиною

електризації металів при їх зіткненні, в наслідок відмінності їх контактних

потенціалів. Такі електрони Я.І. Френкель [51] називав здатними вільно

переміщатися в металі і бути носіями зарядів. Температура є каталізатором

цих процесів. При нагріванні металу деякі з його електронів набувають

енергії, достатньої для подолання потенційного бар'єру на кордоні, і

залишають метал. Це явище називають - термоелектронної емісією.

Тертьові поверхні являють собою обкладки конденсатора, на яких

виникають і генеруються на мікрорівні електричні заряди. В процесі

відносного руху змінюються відстані між частинками нерівностей

поверхневого шару, в результаті відбувається коливання різниці їх

потенціалів, ці коливання тим більше, ніж:

• більше шорсткість двох тертьових матеріалів;

• вище температура в парах тертя;

• вище тиск на точку контакту;

• більш відрізняються кристалічні решітки тертьових матеріалів;

• велика різниця матеріалів в ряді електрохімічних напруг, тобто

послідовність розташування в порядку зростання їх стандартних електродних

потенціалів;

• чим агресивніше навколишнє середовище (різні гідроксильні групи

ОН, NO, CO знаходяться в повітрі).

На підставі вище викладеного можна зробити висновок, що при терті

відбувається процес збудження атомів і атомної решітки на мікрорівні

нерівностей поверхневого шару в результаті передачі механічної енергії від

одного тіла до іншого, тобто відбувається перетворення механічної енергії,

поступальної енергії в коливальну і хвильову, а також частково витрачається

на руйнування матеріалу тертьових поверхонь.

45

Це пояснюється тим фактом, що абсолютно чистих матеріалів не буває,

а присутність різних домішок і добавок, які надають пружність,

зносостійкість впливають на поверхневі дефекти (ребра. сходинки), які

утворюються в наслідок виробництва матеріалу, створюються

мікронапруження, які в наслідок виникнення мікророзрядів при терті

сприяють руху дислокацій, тобто заміщенню та впровадження атомів в

матеріал. Присутність крайової або гвинтової дислокацій призводить до

збільшення напруги і утворення мікротріщин, які в граничному шарі

матеріалу призводять до погіршення фізико-хімічних властивостей,

збільшенню крихкості, виривання матеріалу, в кінцевому підсумку до зносу і

виходу деталі з ладу.

За даними В. А. Бобровського, В. Я. Кравченко, О. А. Троїцького, А. Г.

[52, 53] електричний струм викликає розрядку дислокацій і збільшує

пластичність поверхневого шару, так само як і магнітні поля. Дрейфова

швидкість електронів в мікронерівностей які конструюються при терті

металів поверхнях може бути одного порядку з швидкостями руху

дислокацій. Звідси виникає передумова для виникнення електропластинчатих

ефектів при терті і різанні металів. Імпульси електричного струму сприяють

виходу на поверхню тертя нових дислокацій і інтенсифікують діяльність

джерел дислокацій. Це може впливати на процес тертя і зношування, на

коефіцієнт тертя металів, який за даними роботи [54], пропорційний

відношенню кінцевої і вихідної щільності дислокацій.

В роботі [55] показано, що при впливі на контакт колеса з рейкою

зовнішнього поля для сухого контакту зменшився параметр шорсткості Ra,

спостерігається електропластинчастий ефект, при якому відбувається злиття

нерівностей і зростання фактичної площі контакту, а при наявності в зоні

контакту піску, електричний струм призводить до істотного зниження

параметра Ra, пісок зменшує частку металевого контакту, і збільшує

щільність струму в контакті. Також при пропущенні струму спостерігається

збільшення градієнта температури по нормалі до поверхні тертя, який

46

впливає [54] на механічні властивості і в слідстві на коефіцієнт тертя, тому

що із зростанням температури твердість металу зменшується, а фактична

площа контакту збільшується.

Згідно досліджень А.В. Чічінадзе [56] коефіцієнт тертя зменшується з

ростом температури й збільшується з ростом градієнта температури. При

рушенні локомотива, температурний градієнт можна створити шляхом

впливу на контакт електричних і магнітних полів. Таким чином, реалізується

можливість керування станом проміжного середовища (по І. В.

Крагельському «третього» тіла). При цьому контакт колеса і рейки

здійснюється через тонкий шар, із власним опором – поверхневий шар, крім

того, на поверхні металу можуть бути різні плівки. Згідно даних Р. Хольма

[57], на електричних контактах можуть утворюватися наступні типи плівок:

оксидні або сульфідні плівки;

адгезійні плівки;

пасивуючі плівки;

змазуючи граничні плівки.

На залізничному транспорті в контакті колеса з рейкою, переважають

оксидні плівки, які погіршують процес зчеплення, збільшують боксування.

Вплив електричного струму разом зі зсувними деформаціями на оксидні

плівки приводить до їх руйнування, це пояснюється тим, що під дією

електричного струму оксидна діелектрична плівка, що складається з

хаотично розміщених диполів прагне розгорнуться по напрямку руху,

вибудовуючись паралельно (поводження діелектриків у магнітному полі), у

такий спосіб між ними виникають міжмолекулярні сили (однакові заряди

відштовхуються) прагнучі зруйнувати сами себе, а також підсилює

руйнування зсувних деформацій.

Процес контактування двох металевих поверхонь відбувається в

певних точках, це пояснюється якістю деталей, шорсткістю. При

проходженні електричного струму в місцях контактування відбувається

стягування ліній струму, збільшення щільності струму, у десятки разів

47

більше нормованих, при цьому відбувається руйнування піків контакту,

зминання, збільшення площі контактування деталей, виникає також процес

адгезії, що приводить до збільшення зчеплення. Однак при входженні

локомотива в криві ділянки шляху температура в контакті «колесо-рейка»

досягає температури зварювання деталі, відбувається процес адгезійного

зношування, вириви металу, зношування. Таким чином, варто зробити

висновок, про те, що керування температурою в контакті колеса з рейкою, є

одним зі способів регулювання зчеплення й зношування тертьових пар.

1.9. Постановка мети і завдання дослідження

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної наукової

задачі, яка має важливе значення для залізничної галузі і полягає у

поліпшенні триботехнічних характеристик двоточкового контакту шляхом

подачі озонованого повітряного потоку та електричного струму, керуючи

процесом тертя, знижуючи та підвищуючи його відповідно.

Проблема зчеплення коліс локомотива з рейками – комплексна

проблема, вирішення якої потребує урахування низки чинників, таких як

навантаження, перерозподіл зчіпної ваги, швидкість руху, площа

контактування колеса з рейкою, наявність «третього тіла», шорсткість,

швидкість зростання температури та ін.

Багато в чому традиційні шляхи підвищення (зниження) зчеплення

колеса з рейкою вичерпали себе, потрібні альтернативні способи і методи

впливу на процеси, що відбуваються в парах тертя.

Мета роботи – поліпшення триботехнічних характеристик

двоточкового контакту системи «колесо-рейка» шляхом активації поверхонь

електричним струмом і озонованим повітряним потоком.

Для досягнення поставленої мети, необхідно вирішити наступні

завдання:

48

– базуючись на результатах аналізу стану проблеми взаємодії колеса з

рейкою, виявити та визначити методи і способи керування коефіцієнтом

зчеплення, проаналізувати досвід щодо практичного використання існуючих

методів підвищення коефіцієнта зчеплення, доповнити їх класифікацію,

визначити переваги та недоліки і, на підставі отриманих даних, розробити

ефективний метод підвищення зчіпних якостей локомотива;

– використати систему інтелектуальної підтримки прийняття рішень у

вигляді експертного оцінювання щодо визначення перспективних методів

підвищення коефіцієнта зчеплення для обґрунтування вибраного напряму

дослідження;

– теоретично обґрунтувати та довести доцільність активації

взаємодіючих поверхонь колеса з рейкою за рахунок привнесення у

фрикційний контакт електричним струмом та озонованим повітряним

потоком (при роздільному чи спільному впливі) додаткової енергетичної

компоненти з метою поліпшення триботехнічних характеристик та

коефіцієнта зчеплення;

– виконати експериментальні дослідження щодо оцінки впливу

параметрів електричного струму та параметрів озонованого повітряного

потоку на триботехнічні характеристики двоточкового контакту «колесо –

рейка», включаючи планування експерименту з обґрунтуванням вибору

факторів для дослідження, модернізацію існуючого стендового обладнання

для забезпечення пропускання електричного струму і подачі озонованого

повітряного потоку у фрикційний контакт, отримання емпіричних

залежностей коефіцієнта тертя від температури при різних параметрах

досліджуваних способів активації поверхонь та фрикційного стану поверхонь

тертя;

– оцінити ризики, пов'язані з впровадженням пропонованих способів

поліпшення фрикційної взаємодії в двоточковому контакті «колесо-рейка»;

– узагальнити результати досліджень і сформулювати практичні

рекомендації щодо використання методів активації поверхонь двоточкового

49

контакту «колесо-рейка» з метою поліпшення фрикційної взаємодії,

зменшення експлуатаційних витрат.

50

РОЗДІЛ 2

МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ЗЧЕПЛЕННЯ У КОНТАКТІ «КОЛЕСО-

РЕЙКА»

2.1. Аналіз теоретичних досліджень з моделювання контактної

взаємодії колеса з рейкою

З урахуванням огляду методів підвищення зчеплення контакту

«колесо-рейка», а також експертного оцінювання (розділ 1) запропоновано

спосіб підвищення зчеплення шляхом подачі електричного струму.

Теоретичний вплив електричного струму на трибосполучення

досліджувався Воробйовим Д.В. Згідно його досліджень [56] відомо, що з

підвищенням щільності струму з 68 до 176 А/мм2 коефіцієнт тертя диску по

площині для «сухого» контакту збільшується із 0,325 до 0,512. Зростання

коефіцієнта тертя спостерігалося під час включення електричного струму до

початку руху, або пізніше під час попереднього зміщення. Автор оцінив

вплив температури та її градієнта на коефіцієнт тертя з урахуванням опору

стягування нерухомого контакту:

R = ρ / 2an, (2.1)

де ρ – питомий опір, Ом∙мм2/м;

n – число точок контакту радыусом а.

Також було визначено, при зростанні сили струму градієнт

температури підвищувався, а значить, і коефіцієнт зчеплення:

, (2.2)

де – коефіцієнт розподілу теплових потоків.

За результатами дослідження Петракова Д.І. [58], встановлено значення

граничного коефіцієнта зчеплення, воно залежить від сили електричного

струму, що подається в зону контакту колеса локомотива і рейки, а також від

сил вертикального навантаження колеса. Збільшення струму призводить до

51

істотного зростання зчеплення. При подачі електричного струму 3000 А при

наявності на робочих поверхнях води та машинного мастила, коефіцієнт

зчеплення в середньому збільшився з 0,2 до 0,3, при сухих та знежирених

рейках – з 0,38 до 0,57.

При проведенні випробувань на Машині тертя, при електромеханічній

обробці з постійним струмом нітрид-титанових покриттів, Матлахов В.П.

[59], встановив, технологія поліпшення антифрикційних властивостей

покриттів електромеханічною обробкою постійним і змінним струмами

дозволяють забезпечити високу зносостійкість циліндричних поверхонь

тертя, мікротвердість підкладки досягає HV 800 ... 1200 до глибини 1мм., при

цьому важливе значення має збільшення радіусів заокруглень мікровиступів і

западин, а також збільшення опорної поверхні, що призводить до підвищення

несучою спроможності профілю та зменшення контактних тисків сполучених

деталей.

Враховуючи огляд методів зниження зчеплення контакту «гребінь

колесо-рейка», а також експертного оцінювання (розділ 1) запропоновано

спосіб зниження зчеплення шляхом подачі озонованого повітряного потоку.

У роботі [60] зазначено, що використання у якості МОР повітряно-

мастильну суміш дозволяє знизити середнє значення шорсткості Ra

обробленої поверхні у 2,3 рази в порівнянні з різанням у суху, та в 1,6 рази,

при використанні в якості МОР індустріального мастила у вигляді вільно

падаючого струменя. Ефективність іонізованої змащуючої МОР залежить від

кількості мастила, що вводиться в основний потік, а також від напруги на ко-

ронуючому електроді. Використання в якості МОР іонізованого повітряно-

масляного потоку в зоні різання дозволило підвищити ефективність процесу

механічної обробки до 40%.

Ефективність іонізованої повітряно-масляної суміші при механічній

обробці пояснюється посиленням мастильного дії МОР. Дослідження з

вивчення зони трибосполучень показав, що іонізоване повітряно-мастильне

середовищі знижує момент тертя сталі 45 в 0,75 - 1,5 рази в порівнянні з

52

тертям у маслі, методом часткового занурення, а також змінює динаміку

процесів контактної взаємодії, стабілізуючи його.

Але, до сих пір, залишається неясним ступінь впливу озонованого

повітряного потоку на трибопару «колесо-рейка» і, отже, на коефіцієнт

зчеплення. Залишається не дослідженим вплив охолоджуючого ефекту озону

на контакт «колесо-рейка». Крім цього, здійснено спробу оцінити спільний

вплив електричного струму і озонованого повітряного потоку на трибопару

«колесо-рейка».

2.2. Вплив струму на фрикційні характеристики пари тертя

Метод підвищення зчеплення у контакті «доріжка кочення колеса –

рейка» при використанні електричного струму полягає у збільшенні миттєвої

температури. При терті металів, відбувається процес пластичних деформацій

поверхневих об'ємів, обумовлений рухом і взаємодією дислокацій, при

виході яких, на поверхні можуть змінюватися сили зовнішнього тертя.

Електричний струм викликає розрядку дислокацій і збільшує пластичність

поверхневого шару. Швидкість електронів в мікронерівностях контактуючих

при терті поверхнях металів може бути одного порядку зі швидкістю руху

дислокацій, звідси виникає передумова для виникнення електропластичних

ефектів.

Тобто основним фактором збільшення зчеплення при пропусканні

електричного струму є температура, тому, додаток температури за рахунок

привнесення у контакт «колесо – рейка» електричної енергії визначимо по

виведеній залежності:

kt

kn

k

дп

Sk

Sl

Fm

QkI

t

6102,0321

2

, (2.3)

де t – температура в контакті;

m – коефіцієнт, враховуючий дотик поверхонь;

53

дQ – допустима температура нагріву;

k

F – питомий тиск в контакті;

– температурний коефіцієнт металу контакту;

I – струм, який проходить через контакт колеса з рейкою;

- питомий електричний опір.

На сьогоднішній момент складно визначити величину перехідного

опору контакту «колесо-рейка», тому що вплив навколишнього середовища

(іній, дощ, сніг) вносить додаткову невідому. Для цього теоретично оцінено

вплив електричного струму на чистий контакт, а для визначення ступеня

впливу води та мастила, проведені додаткові експериментальні дослідження,

які представлені в третьому розділі.

2.3. Вплив озону на фрикційні характеристики пари тертя

Аналіз дослідження використання озонованого повітряного потоку в

для трибосполученнях «метал-метал» показав суперечливий вплив на

контактну пару – при різних умовах контактування можливе і зниження

коефіцієнту тертя і його збільшення. В основі механізму впливу озонованого

повітряного потоку на трибосполучення з енергетичної точки зору присутнє

лежить явище привнесення енергії у трибоконтакт, що викликає гальмування

або пришвидшення хімічних реакцій, які протікають у контактній парі. Це

пояснюється здатністю створення озонових сполук з металами, тобто

формування окисних слоїв (дифузія озону, рисунок 2.1). При цьому,

підвищення температури в контактуючому трибосополученні активує процес

дифузії озону. Утворення озону відбувається по зворотній реакції:

3O2 + W ←→ 2O3.

54

Рисунок 2.1 – Механізм утворення окисного шару на поверхні металу

Теоретичним описом впливу озону є наведена нижче методика оцінки

впливу озонованого повітря, як активатора поверхні на фрикційну взаємодію

контакту «колесо-рейка».

Найбільш ефективним способом отримання озону, є генерація в

бар'єрному електричному розряді, потужність активної енергія яка

виділилася, визначається [34]:

P = (2/) Cд (V0 - Vг) - VгСг Vг, (2.4)

де V0, Vг – напруга на електродах і у газовому проміжку відповідно В

Cг, Cд — ємність газового проміжку і діелектрика, Ф;

– частота струму, Гц.

При проходженні через зону розряду молекули кисню частково

дисоціюють, при цьому атомарний кисень реагує з молекулами кисню,

утворюючи озон.

У бар'єрному озонаторі, який представляє собою циліндричний

конденсатор, на молекули кисню діє напруженість магнітного поля E:

QFE / . (2.5)

Щільність електричної енергії в бар'єрному озонаторі дорівнює:

55

2

2

0EW , (2.6)

де – діелектрична проникність середовища всередині конденсатора;

0 – електрична постійна, Ф/м;

E – напруженість поля між обкладками конденсатора, В/м.

Об’ємна щільність енергії дорівнює:

VWWp , (2.7)

де V – об'єм простору, в якому створюється енергія, м3.

Різниця енергій активованого комплексу, тобто енергії яку створює

заряджений конденсатор і вихідних молекул, тобто енергії озону, прийнято

називати енергією активації [34], Ea.

При зближенні молекул кисню їх кінетична енергія переходить в

потенційну. Максимум потенційної енергії відповідає енергії активованого

комплексу. Енергетичний бар'єр виникає внаслідок взаємного

відштовхування хімічно ще не пов'язаних атомів кисню. Таким чином,

однією з умов для найбільш ефективної роботи бар'єрного озонатора, є

створення енергії (W), яка сприяє подоланню енергетичного бар'єру для

утворення найбільшої кількості енергетичних зв'язків озону (О3).

Таким чином, енергію активації можна представити у вигляді:

kWWE pa , (2.8)

де kW – кінетична енергія атомів озону О3, яка визначається, Дж:

eELW k (2.9)

56

При синтезі озону для подальшого застосування його в контакті колеса

з рейкою потрібна його висока концентрація (x), яку можна визначити [34]:

12

12

12

12 1,10

1,1

exp1 TTTT

RE

t

TTTT

RE

te

ea

aekk

VP

ekk

akx, (2.10)

де T1 – температура рідини, що охолоджує електроди озонатора, К;

Т2 – температура газу в реакційній зоні, К;

1,1tk – константа розпаду при температурі 200 С;

Еа – энергия активации реакции розпаду озона, Дж/моль.

Визначивши концентрацію речовини в розрядному проміжку можна

визначити моль речовини.

Утворення озону проходить по оборотній реакції:

3O2 + W 285кДжккал68 ←→ 2O3. (2.11)

При високих контактних температурах відбувається дифузія атомів

озону в поверхню металу [61]. Ці переміщення, обумовлені тепловим рухом,

дають можливість описати процес дифузії в твердих дотичних середовищах.

За допомогою дифузії можна управляти типом концентрації домішки в

приповерхневих шарах, змінюючи тим самим їх властивості. При високій

температурі спостерігається активація процесу дифузії. Перебіг дифузійного

процесу в твердих тілах слід розділити на послідовність етапів: 1) система:

плівка – перший шар, джерело енергії – плівка; 2) система: верхній шар

(назвемо його умовно першим) - наступний шар твердого тіла (умовно

назвемо його другим), джерело – верхній (перший) шар. Рейку пропонується

розбити на сукупність шарів.

Для визначення глибини проникнення озонованого повітряного потоку

у внутрішній шар металу і опису процесу дифузії атомів озону в плівку

57

(перший шар, другий та ін.), при різних температурах, використаємо

початково-граничну задачу:

033022

0110

023

1

3

10

03

1

0 xxxxxxQxxqKq

xqu

tq

jtjy

tttt

,

03

3

2

2

1

1

xu

xu

xu

,

0,,, 32100 xxxtq ,

Ttt ,0 (2.12)

де 321000 ,,, xxxtqq – концентрація адсорбційно-десорбційної речовини в

одиницю часу t0 в точці 321 ,, xxx ;

Q0– кількість речовини, яка утворюється на поверхні х3 = 0;

Т - температура середовища, в якій відбувається процес дифузії.

kTEа

KK exp0 , (2.13)

де К0 – коефіцієнт дифузії речовини в навколишнє середовище.

Далі початково-крайова задача використовується для опису процесу

дифузії системи перший шар - другий шар. Джерелом домішки є перший шар

підкладки. Роль підкладки виконує другий її шар. Протікає другий етап

дифузії. В цьому випадку дифузія в другому шарі описується початково-

граничним завданням:

23211

123

1

3

11

03

1

1 ,,

xxtQ

xxq

Kqxq

utq

jtjiy

tttt (2.14)

03

3

2

2

1

1

xu

xu

xu

,

1321013211 ,,,,, xxxtqxxtQ ,

0,,, 32111 xxxtq , Ttt ,1 , (2.15)

58

де 211 ,, xxtQ – кількість речовини, що утворюється на площині 013 x в

точці 21,xx в момент часу t1;

13 – результуюча швидкість осадження речовини на поверхню.

Розподіл озонованого повітряного потоку в глибину металу від його

концентрації розраховано по наведеним вище залежностям (2.12 - 2.14) і

представлено на рисунку 2.2.

Рисунок 2.2 – Залежність впливу концентрації озону на його проникнення в

глибину металу: а – при температурі 20 0С, б – при температурі 200 0С,

в – при температурі 400 0С

Сумарна енергія, впроваджена в поверхню металу (в залежності від

концентрації озонованого повітряного потоку представлена на рисунку 2.3):

EаxxxtQEа n ),,,( 3211 (2.16)

Вплив параметрів озонованого повітряного потоку (концентрацій та

швидкості подачі) на коефіцієнт тертя у трибосполученні «метал-метал»

визначимо у результаті подальших експериментальних досліджень.

59

Рисунок 2.3 – Розрахункові залежності енергії активації озонованого

повітряного потоку від концентрації озону: а – при температурі 200С,

б – при температурі 200 0С, в – при температурі 400 0С

2.4. Математична модель контактної взаємодії колісної пари з

рейковою колією

Метою даного підрозділу є встановлення впливу запропонованих

методів підвищення (зниження) тертя на зчіпні якості локомотивів за рахунок

визначення площі плями контакту, розподілу тиску по контакту і

експериментального встановлення фрикційних залежностей коефіцієнту

тертя від температури.

Питання поліпшення тягових якостей локомотива за рахунок розробки

та впровадження перспективних методів підвищення (зниження) зчеплення

постійно займають провідне місце в діяльності конструкторських і

дослідницьких організацій галузі локомотивобудування [61]. Ефективність і

доцільність впровадження таких рішень оцінюється експериментальними

дослідженнями і математичними моделями, що описують процес силової

передачі руху за допомогою системи тертя «колесо-рейка» і визначення сил

60

зчеплення. Початкову модель зчеплення поділяють на нормальну і

тангенціальну. Рішення нормальної засновані на класичному підході Г. Герца

з застосуванням сингулярних інтегральних рівнянь. Однак теорію Г. Герца не

завжди можливо застосовувати для розв'язання контактних задач взаємодії

колеса з рейкою [62].

В дослідженнях проведених науковою школою Голубенка О.Л. [63]

вирішена задача визначення коефіцієнта зчеплення колеса локомотива з

поверхнею рейки на основі фрикційних і температурних процесів в області

контакту. При цьому модель контактного взаємодії колісної пари і рейкової

колії ґрунтується на рішенні нормальної і тангенціальною завдань.

У роботах [3, 64, 64] контактна задача зчеплення колеса з рейкою

сформульована таким чином. Знайти реакцію з боку рейкової колії при

заданих фрикційних умовах контактування, нормальному навантаженні,

векторі жорсткого ковзання, формі і пружних властивостях матеріалів

контактуючих тіл.

Рішення нормальної задачі в загальному вигляді не доцільно, тому

приймаються такі припущення:

- контактують тіла абсолютно пружні, однорідні та ізотропні

(задовольняється закон Гука);

- в зоні контакту мають місце тільки пружні деформації;

- розміри контактних площадок багато менше характерних розмірів

контактуючих тіл;

- матеріали колеса і рейки мають однакові пружні властивості.

Завдання вирішується в три етапи [65] на основі подання контактуючих

тіл у вигляді пружних напівпросторів з використанням чисельних методів:

- перший етап (при заданому розташуванні колісної пари щодо

рейкової колії) - визначаються координати точок початкового торкання і

реакції з боку рейок, викликані вертикальним навантаженням;

- другий етап - отримують функції початкового зазору між колесом і

рейкою для лівого і правого боку;

61

- третій етап - форма і розмір плями контакту, а також розподіл по

ньому нормальних напружень.

Результати рішення нормальної задачі є вихідними даними для

вирішення тангенційної задачі.

2.4.1. Ітераційне рішення нормальної контактної задачі

Завдання взаємодії тіл за умови, що одні тіла переміщаються відносно

інших тіл, відносяться до класу складних завдань, тому що процеси

переміщення тіл нестаціонарні, сили взаємодії тіл дисипативні і наперед

невідомі. Тому при вирішенні даної задачі взаємодії твердих тіл задана

дотична площина в місці їх контакту, на яку перенесено граничні умови. При

цьому колесо і рейка представлені як пружний півпростір. Таке рішення

справедливо, тому що розміри контакту колеса з рейкою значно менше

характерних розмірів взаємодіючих тіл.

Початок ортогональної системи координат ijkOA розташовано в точці

A (рисунок 2.14, а). Вісь kOA поєднана з нормаллю до поверхні колеса і

рейки в точці початкового торкання. При цьому площина ijOA збігається з

дотичній площиною. Вісь iOA спрямована паралельно поздовжньої осі

рейки.

При визначенні зони контакту Е, розташованої в площині ijOA і

функції тиску ),( ji слід дотримуватися наступних умов [3, 6, 65]:

- умова контакту:

0),(),,(),( jijiji у зоні E; (2.17)

- умова зазору:

0),(),,(),( jijiji поза E; (2.18)

- рівняння рівноваги контактуючих тіл:

E ARdEji ),( , (2.19)

62

де cjiji ),(),( функція умовного впровадження контактуючих тіл

при вільному проникненні їх один в одного (рисунок

2.14);

),( ji функція, яка описувала відстань між точками поверхні колеса і

рейки (функція початкового зазору) [65, 64];

с жорстке зближення;

),( ji різниця нормальних пружних зміщень колеса і рейки;

RA реакція з боку рейки, викликана вертикальним навантаженням на

колесо.

Аналітичне рішення контактної задачі (2.17), (2.18) і (2.19) можливо

тільки в разі, якщо поверхні контактуючих тіл описуються квадратичними

функціями координат. Крім того, відомі рішення, в яких поверхні тіл описані

поліномами вищих ступенів [66].

а)

63

б)

Рисунок 2.14 – Контакт колеса з рейкою: а –

б – впровадження контактуючих тіл при вільному проникненні їх один

в одного

Поверхні колеса і рейки (особливо зношені) не можуть бути описані

такими методами. Тому дана контактна задача (2.17), (2.18) і (2.19)

вирішується чисельним методом. При цьому площина ijOA покрита сіткою з

кроком ji , . Центри осередків мають нумерацію від 1 до L. Розподілені по

осередках тиску замінені контактними зусиллями iF в центрах осередків.

Функція ),( ji також задається в центрах осередків. У підсумку для деяких

значень індексу l :

;0,01

mllmL

mlm FFa (2.20)

для інших значень l :

;0,01

mlmL

mlm FFa (2.21)

L

lAl RF

10, (2.22)

де lma - позитивно визначена матриця впливу гоm зусилля на відносний

прогин у йl точці поверхні контактуючих тіл.

64

Для визначення L досить задати в вузлах осередків відповідні

значення функції в точці l . Значення підбирається таким чином, щоб

задовольнялося рівняння (2.20). Для цього використовується ітераційний

метод розрахунку [65, 67], який припускає послідовне вирішення завдання.

2.4.2. Основні положення рішення тангенціальної задачі

В процесі кочення колеса локомотива по рейці колесо притиснуте до

рейки деяким зусиллям AR і рухається з деякою швидкістю V

. Під дією

цього зусилля AR за рахунок пружності матеріалів колеса і рейки

утворюється зона контакту E. Заданими вважають форма і розмір зони

контакту E, розподілу по ній нормальних напружень, зусилля притиснення

AR , закон тертя (залежність коефіцієнта тертя від температури і тиску в

контакті), який отримано експериментально, пружні і теплофізичні

властивості контактуючих тіл.

Процес кочення з ковзанням вважається стаціонарним. Це означає, що

напруги, деформації і справжнє ковзання не змінюються в часі.

Передбачається також, що швидкість руху багато менше швидкостей

пружних збурень у контактуючих тілах (завдання вважається

квазистатичним).

Тангенціальне завдання вирішується в рухливій системі координат

ijkOA , яка поміщена в точку початкового торкання А і рухається разом з нею.

Метою рішення є визначення дотичних напружень (сили зчеплення колеса з

рейкою) і поля дійсних ковзань в зоні контакту. Для цього необхідно

вирішити однорідне рівняння рівноваги пружного середовища в півпросторі з

граничними умовами, знесеними на загальну дотичну площу [68]:

,0,/,

,0,0

SприSSf

Sприf

(2.23)

де 0f залежність коефіцієнту тертя покою від питомого тиску;

65

,f залежність коефіцієнту тертя ковзання від питомого тиску

і температури в зоні контакту;

температура в зоні контакту;

S

швидкість істинного ковзання.

Тоді сила зчеплення колеса локомотива з рейкою дорівнює:

E

сц dEF

. (2.24)

Функції 0f , ,f визначаються експериментально. У працях

[685, 9] встановлена величина 0f . Для визначення функції ,f при

пропусканні електричного струму та озонованого повітряного потоку в

контакті колеса з рейкою потрібне проведення експериментальних

досліджень, які представлено нижче.

2.5. Теоретичне дослідження впливу електричного струму на знос

трибосполучення «ролик-ролик»

Одним з важливих триботехнічних параметрів контакту є знос. У

трибосполученні тепло, яке виділяється при терті, є результатом тертя

ковзання, що призводить до механічного зносу. При пропусканні через

контактну пару електричного струму додатково виділяється тепло. Це

пов'язано з тим, що реальний контакт колеса з рейкою реалізується не по всій

поверхні сполучення, а лише в декількох точках, сумарна площа яких і є

реальною поверхнею, внаслідок чого при подачі електричного струму,

виникає перехідний опір або опір звуження. В результаті нагрівання

контактної зони струмові містки, що утворилися між дотичними роликами,

плавляться, матеріал випаровується або вигорає. В результаті цього виникає

так званий електричний знос.

66

Для дослідження процесів в контакті «колесо-рейка» при протіканні

електричного струму необхідно провести їх детальний аналіз.

Одним з параметрів, що характеризують процес контактування колеса з

рейкою є тепло, що виділяється при цьому.

У тертьовому трибосполученні, тепло, що виділяється при терті є

результатом тертя ковзання, що призводить до механічного зносу. При

пропусканні через контактну пару ще й електричного струму додатково

виділяється тепло, яке також її нагріває. Це пов'язано з тим, що реальний

контакт колеса з рейкою реалізується не по всій поверхні сполучення, а лише

в декількох точках, сумарна площа яких, і є реальною поверхнею, внаслідок

чого при пропусканні електричного струму, виникає перехідний опір або

опір звуження. Перебіг електричного струму через контакт, що має

перехідний опір, викликає його нагрівання. В результаті нагрівання

контактної зони струмові містки, що утворилися між дотичними роликами

плавляться, матеріал випаровується або вигорає. В результаті чого виникає

електричний знос.

Таким чином, при пропусканні електричного струму в

трибосполученні, крім механічного зносу, спостерігається і електричний знос

(рисунок 2.15), величина і характер якого, багато в чому визначається

ефективністю і перспективністю цього способу підвищення зчеплення.

Вихідними даними при моделюванні механічного зносу були:

навантаження на зразок P, Н; радіус сферичної поверхні r, м; швидкість

ковзання v, м/с; час випробування, t, с; твердість контактуючих матеріалів Н1

і Н2; теплопровідність матеріалу контактного елемента λ1, Вт; питома

теплоємність матеріалу з, Вт [69]. Це дозволило визначити величину

механічного зносу трибосполучень:

21

12 H

Hrtv

rctРеРiм , (2.25)

67

де ,,, – коефіцієнти, що визначаються експериментально.

Вплив електричної складової розглядається, як додатковий зовнішній

параметр трибосистеми, який впливає на характеристики контакту.

Загальний електричний знос визначається залежністю [70]:

620 103

101

81.9

sQkI

PkWsPQikЭ (2.26)

де k1, k2, k3 – експериментальні коефіцієнти;

Q – кількість тепла, Дж;

Р – прикладене навантаження, Н;

- щільність матеріалу, кг/м3.

Рисунок 2.15 – Блок-схема процесів які протікають у контакті під дією

електричного струму

68

Результати моделювання механічного та електричного зносу

представлені на рисунку 2.16.

При моделюванні визначено вплив електричного струму з плином часу

на знос досліджуваних зразків (рисунок 2.16). Електричний знос (поверхня 2)

переважає при малих вертикальних навантаженнях, що є наслідком наявності

в контактній парі незруйнованих забруднень володіють високим перехідним

опором. Зі збільшенням навантаження і руйнуванням забруднень перехідний

опір падає, кількості тепла, що виділився в контакті зменшується, а

електричний знос знижується (поверхня 2 (рисунок 2.16).

Рисунок 2.16 – Залежність зносу (i, мкм) від прикладеного

навантаження (P, H) с плином часу (t, c) при проходження електричного

струму через контакт «ролик-ролик»: 1 – електричний знос (iЭ), 2 –

механічний знос (iМ)

Механічний знос (поверхня 1 (рисунок 2.16) зростає зі збільшенням

навантаження, що підтверджується дослідженнями [71]. Математичний

розрахунок описаного процесу для контакту «колесо-рейка» необхідно

підтвердити експериментальними дослідженнями.

69

Висновки по другому розділу

В разделе представлено теоретическое обоснование метода повышения

сцепления путем подачи в контакт «колесо-рельс» электрического тока и

снижения сцепления путем подачи в контакт озонированного воздушного

потока.

Усовершенствована математическая модель

Теоретически обосновано

70

РОЗДІЛ 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ

АКТИВАТОРІВ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ НА ПРОЦЕС ТЕРТЯ

ТРИБОКОНТАКТУ «КОЛЕСО-РЕЙКА»

3.1. Аналіз експериментальних лабораторних і натурних

досліджень з вивчення процесу зчеплення колеса локомотива з рейкою

Рішення завдань, пов'язаних з підвищенням коефіцієнта зчеплення, має

важливе значення для створення сучасного рухомого складу. Зазначена

проблема є комплексною і її рішення повинне ґрунтуватися на досягненнях в

області контактної взаємодії твердих тіл з урахуванням особливостей стану

контактуючих поверхонь (наявність вологи, мастильного матеріалу на

поверхні, абразивних часток і т.п.), а також в області фізики й хімії

поверхневих явищ.

Наявність великої кількості впливаючих факторів (фізичних, хімічних,

електричних й ін.) створює відомі труднощі теоретичного аналізу процесів

тертя. Найбільш достовірну інформацію при оцінці характеристик

взаємодіючих матеріалів пара тертя й сполучень дають експериментальні

методи [65, 71], реалізовані:

- на фізичних і математичних моделях у лабораторних умовах;

- на каткових стендах;

- при проведенні натурних випробувань в експлуатаційних умовах.

Для дослідження фрикційних властивостей пари тертя «колесо-рейка»,

широке застосування одержали лабораторні установки (машини тертя).

Основна вимога, пропонована до сучасних машин тертя - це

можливість управляти умовами проведення експериментів для забезпечення

максимальної можливої подоби (геометричних, кінематичних і динамічного)

режимів роботи реального залізничного екіпажу.

У роботі [72] (рисунок 3.1) розроблений автоматизований комплекс для

триботехнічних випробувань конструкційних матеріалів і мастильних

середовищ у статичному й динамічному режимах, що дозволяє відтворювати

71

закони навантаження вузлів тертя з обліком геометричної, кінематичної й

динамічної подоби.

Внаслідок відсутності єдиного методу випробувань поверхонь тертя

стосовно до умов тертя ковзання при граничному змащенні й усталостне

зношуванні, у роботі [73] (рисунок 3.2) запропонована автоматизована

система наукових випробувань, що дозволяє за допомогою серійної машини

тертя МІ-1М типу «Амслер» і програмного комплексу АСНД робити виміри

лінійного зношування з мінімізацією погрішностей при випробуваннях

синхронно з іншими триботехнічними характеристиками (коефіцієнтом

тертя, температурою й ін.).

Рисунок 3.1 – Автоматизований комплекс для тріботехнічних випробувань

[74]

Натурний стенд [74]дозволяє досліджувати вплив фрикційних умов

контактування, кута набігання колеса, нахилу рейки й інших факторів на

коефіцієнт зчеплення колеса з рейкою. Він представляють можливість

проводити випробування на зношування, усталостну міцність, а також

досліджувати зародження й розвиток тріщин.

72

Рисунок 3.2 – Машина тертя «Амслер» із програмним комплексом АСНД [75]

На кафедрі залізничного транспорту ВНУ ім. В. Даля спроектований

досліджувано-вимірювальний комплекс для дослідження тягово-зчіпних

якостей локомотива (ДВК) [75] (рисунок 3.3 ), що дозволяє досліджувати

реалізацію сили зчеплення при розгоні, буксуванні і юзі в прямих і кривих

ділянках шляху. При цьому задаються: динамічні вертикальні й

горизонтальні зусилля в контакті, поперечного зсуву колеса щодо рейки, кут

набігання, коливання крутного моменту приводу, фрикційний стан контакту

колеса з рейкою. З використанням ДВК можливе моделювання вертикальних

коливань рейкового шляху, зміна характеристик підрейкової основи,

поперечні коливання рейки, осідання рейкової нитки у вертикальній

площині.

На базі стендової установки «Машина тертя», розробленої на кафедрі

залізничного транспорту ВНУ ім. В. Даля, створена автоматизована

вимірювально-моделююча установка (АВМУ рисунок 3.4) для дослідження

фрикційних властивостей контакту «колесо-рейка» [76, 77], що дозволяє

вирішувати наступні завдання:

- визначати коефіцієнт тертя колеса з рейкою в умовах реальних

забруднень (дощ, масло, дизельне паливо);

73

- оцінювати вплив активації поверхонь на реалізований коефіцієнт

тертя (вплив електричного струму, струмино-абразивна обробка, подача

озонованого повітря, подача мастильного матеріалу);

Рисунок 3.3 – Структурна схема ДВК для дослідження тягово-зчіпних

якостей локомотивів

- автоматично моделювати із застосуванням мікроконтролерів, процеси

набору крутного моменту для зриву в боксування;

- визначати коефіцієнт тертя в режимі чистого тертя ковзання (юза)

контактуючих поверхонь, при цьому реалізується режим кочення з

ковзанням;

- одержувати залежності коефіцієнта тертя ковзання від питомого

тиску, швидкості ковзання, температури й інших факторів.

Перевагою створеної автоматизованої вимірювально-моделюючої

установки є:

74

простота керування фрикційними умовами контактування, шляхом

контрольованої подачі в контакт досліджуваних речовин;

можливість моделювання тяги, гальмування, боксування і юза;

наявність програмного комплексу, що дозволяє за

експериментальним даними одержувати характеристику зчеплення.

Рисунок 3.4 – Стендова установка «Машина тертя» для дослідження

фрикційних властивостей контакту: 1 – рама, 2 – система важелів і роликів,

3 – рейка, 4 – напрямні, 5 –сегменти, 6, 9, 10 –важелі, 7 – поперечини,

8 – робочий ролик, 11, 13 – двигуни, 12 – тяговий ролик, 14 – опорна

плита, 15 – мікропроцесорний блок

Представлена АВМУ для дослідження фрикційних властивостей

контакту "колесо-рейка" і методика проведення досліджень дозволяє

експериментальним шляхом вивчати вплив різних забруднень (дощ, масло,

дизельне паливо) на коефіцієнт тертя, а також оцінювати ефективність різних

75

способів підвищення коефіцієнта зчеплення (вплив електричного струму,

струмино-абразивна обробка, подача озонованого повітря).

Орієнтація робочого ролика здійснюється переміщенням сегментів по

напрямної, поворотом важелів щодо сегментів і переміщенням поперечини

по напрямних важелів. Крутний момент від двигуна, розташованого на

площадці, через кутовий редуктор, карданний вал, вісь передається робочому

ролику.

Завдяки навантаженню робочого ролика вертикальним зусиллям,

відбувається його зчеплення з рейкою. Під дією обертаючого моменту й

завдяки тому, що рама візка кріпиться до рейки за допомогою системи

важелів і роликів з можливістю лінійного переміщення уздовж її осі, візок

починає рухатися по рейці.

3.2 Експериментальні дослідження з встановлення впливу

активаторів поверхневого шару на контакт «колесо-рейка»

Для виявлення основних закономірностей впливу озонованого

повітряного потоку на контакт «колесо-рейка» на кафедрі залізничного

транспорту СНУ ім. В. Даля проведені експериментальні дослідження на

автоматизованій вимірювально-моделюючої стендової установці (рисунок

3.5) «Машина тертя» (АВМУ) [78, 79, 80]. Мета досліджень - визначення

впливу величини концентрації озону на коефіцієнт тертя в контактній парі

при різному фрикційному стані. Опис стендової установки «Машина тертя»

(рисунок 3.4) наведений у додатку 1.

76

Рисунок 3.5 – АВМУ для дослідження фрикційних властивостей контакту

«колесо-рейка»

АВМУ була оснащена озонатором бар'єрного типу, принципова схема

якого, представлена на рисунку 3.6.

Відповідно до [81] характеристика озонатора складається з двох

ділянок - до виникнення розряду (ділянка АВ, рисунок 3.6) і в момент

розвитку розряду (ділянка ВС, рисунок 3.6), причому характеристика

озонатора після виникнення розряду пропорційна вольтамперній

характеристиці конденсатора з ємністю, рівної ємності діелектричних бар'єр

(ділянка АД, рисунок 3.6). Момент виникнення розряду характеризується

критичним струмом Ікр і напругою Uкр. У зв'язку з цим, при розрахунку

еквівалентна схема озонатора до виникнення розряду являє собою

електричний ланцюг з трьох послідовно включених конденсаторів, ємності

яких відповідають емкостям двох діелектричних бар'єрів Cб1 і Cб2 і ємності

розрядного проміжку CП (рисунок 3.6). При напрузі вище Uкр конденсатор,

еквівалентний розрядному проміжку, замінюється джерелом ЕРС з

внутрішнім опором.

77

д)

Рисунку 3.6 – Озонатор

а – вольтамперна характеристика озонатора, б – розрахункова схема плоского

озонатора: 1 – електрод; 2 – діелектрик; 3 – охолоджуюча рідина 4 – газовий

проміжок; в), г) еквівалентна електрична схема озонатора до виникнення

розряду (в) і після (г), д – принципова схема установки для генерації озону:

1 - озонатор, 2 - охолоджуюча рідина, 3 - силовий трансформатор,

4 - лабораторний автотрансформатор

Продуктивність озонатора визначалася наступним чином:

т33tkVG OO (3.1)

78

На підставі рівняння синтезу озону [13] можна визначити активну

потужність розряду Pa:

1

0

131ln

kkk

MVG

P

O

a

, (3.2)

де Vµ - молярний об'єм, Vµ = 22,4 л/моль [82]; М – молекулярна маса

озону, М = 48 г/моль [82]. На підставі кінетичного рівняння синтезу озону

[82]:

aPk

ekkQ 11

1

0 , (3.3)

де Q - об'ємна концентрація озону, % об.; 0k , 1k - константа утворення і

розкладання озону, відповідно, л/Вт·ч.; Pa – активна потужність розряду, Вт;

- об'ємна швидкість потоку газу, л/ч.

Для визначення концентрації озону в повітряному потоці

експериментально визначалися значення напруги і струму, а також об'ємна

швидкість потоку газу за допомогою таких приладів: амперметр Е377,

вольтметр Е378, манометр. Обробка результатів експериментальних

досліджень дозволила отримати залежність концентрації озону від напруги

живлення (рисунок 3.7) для використовуваного озонатора.

Оцінка впливу озонованого повітряного потоку на фрикційні

властивості трибосполучення «колесо-рейка» проводилася при наступних

умовах взаємодії:

рейка вкрита мастилом (ТАП-15);

рейка вкрита водою;

чиста рейка.

79

Рисунок 3.7 – Залежність концентрації озону (Q) від напруги живлення (Uуст)

Результати експериментальних досліджень зміни коефіцієнта тертя при

подачі озонованого повітряного потоку в залежності від різних фрикційних

станів представлені на рисунках 3.8.

а)

80

б)

в)

Рисунок 3.8 – Залежність коефіцієнта тертя від впливу озонованого

повітря на: а – чистих рейках, б – рейках вкритих водою, в – рейках вкритих

мастилом

81

В результаті досліджень встановлено, що теоретичне обґрунтування

застосування озонованого повітряного потоку в якості поверхнево-активної

речовини [83] підтверджено експериментально, що свідчить про інтенсивний

вплив оксидних плівок (Fe2O3), також внаслідок зростання температури в

контакті «ролик-рейка» відбувається інтенсифікація дифузійних процесів, які

сприяють насиченню приповерхневих шарів атомами озону [82] і зниженню

тертя на чистих рейках на 18%, на рейках вкритих водою на 24%, на рейках

вкритих мастилом на 26%.

3.3. Експериментальні дослідження з встановлення впливу

електричного струму на контакт «колесо-рейка»

При експлуатації електровозів було встановлено, що їх граничний

коефіцієнт зчеплення вище на 8% ніж в тепловозів. Цей факт можливо

пояснити тим, що під час руху електричний струм, величиною 400-600 А,

проходить через контактну площу колеса й рейки утворюючи адгезійні

містки (містки зварювання між колесом і рейкою), що є результатом

молекулярної взаємодії, мікросхоплювання.

У роботах [4, 84]були проведені дослідження впливу електричного

струму й магнітного поля на процес тертя, що дозволило виявити

закономірності й у перспективі створити ефективні способи поліпшення

фрикційних умов контактування коліс локомотива з рейками для подальшого

поліпшення умов експлуатації рухливого складу.

Дія електричного струму високої щільності на метал на макрорівні

супроводжується низкою фізичних явищ: зміною опору пластичної

деформації і характеристик пластичності; розвитком неоднорідного

пластичного деформування; на мікрорівні: мікроструктурні зміни,

включаючи заліковування мікротріщин в результаті термоактіваціі.

Для обґрунтування впливу електричного струму в контакті колесо-

рейка на величину коефіцієнта зчеплення розглянемо завдання взаємодії

82

коліс локомотива з рейками з урахуванням впливу електричного струму на

процес тертя.

Для виявлення основних закономірностей впливу електричного струму

на контакт «колесо-рейка» на кафедрі залізничного транспорту

СНУ ім. В. Даля проведені експериментальні дослідження на

автоматизованій вимірювально-моделюючій стендовій установці «Машина

тертя» [85, 86, 87]. Стендова установка була оснащена пристроєм подачі

електричного струму в контакт «ролик-рейка», загальна схема якого,

представлена на рисунку 3.9.

Отриманий сигнал, що знімається з датчиків, встановлених на

стендовій установці I (рисунок 3.9), подається через блок обробки даних II

(рисунок 3.9) на ЕОМ - III (рисунок 3.9), який дозволяє спільно з пультом

керування тяговим роликом V (рисунок 3.9) керувати робочим роликом і

виводити експериментальні дані величини коефіцієнта тертя від температури

в реальному часі. Плавний набір швидкості обертання робочого ролика

забезпечується розробленим регулятором напруги - IV (рисунок 3.9) на

мікроконтролер ATMEGA8, який також управляється ЕОМ III (рисунок 3.9).

Підведена потужність до установки I (рисунок 3.9) регулювалася за

допомогою трансформатора ТДМ-500 - VI (рисунок 3.9).

83

Рисунок 3.9 – Схема автоматизованої вимірювальної, про-моделюючої

стендової установці «Машина тертя» з пристроєм для подачі електричного

струму в трибосопряжений «ролик-рейка»: I - загальний вигляд

автоматизованої вимірювально-моделюючої стендової установки «Машина

тертя»; II - блок обробки отриманих даних, III - ЕОМ; IV - регулятор

напруги; V - пульт керування тяговим роликом; VI - трансформатор ТДМ-

500; VII - трансформатор струму , VII – амперметр

Результати експериментальних досліджень по визначенню впливу

електричного струму на фрикційну пару «ролик-рейка» стендової установки

«Машина тертя» представлені на рисунках 3.10:

84

а)

б)

85

в)

Рисунок 3.10 – Залежність коефіцієнта тертя від температури при впливі

електричного струму на:

а – чистій рейці при: 1 – без електричного струму, 2 – дія постійного струму

із щільністю струму 32 А/м2, 3 – дія змінного струму, 4 – дія постійного

струму щільністю 65 А/м2, б –рейках вкритих водою: 1 – без електричного

струму, 2 – дія постійного струму із щільністю струму 32 А/м2, 3 – дія

змінного струму, 4 – дія постійного струму щільністю 65 А/м2, в – вкритих

мастилом: 1 – без електричного струму, 2 – дія постійного струму із

щільністю струму 32 А/м2, 3 – дія змінного струму, 4 – дія постійного струму

щільністю 65 А/м2

3.4. Експериментальні дослідження з встановлення спільного

впливу озонованого повітряного потоку та електричного струму на

контакт «колесо-рейка»

Крім того, були проведені експериментальні дослідження по спільній

дії озонованого повітряного потоку та електричного струму на коефіцієнт

86

зчеплення контакту «колесо-рейка», результати представлені на рисунках

3.11.

Такі дослідження проводилися з метою виявлення впливу потрапляння

озонованого повітряного потоку на доріжку кочення, у зв’язку із тим, що

основною проблемою використання способів зниження зносу у контакті

гребеня колеса з рейкою є таке потрапляння, що є основним недоліком

зазначених способів.

а)

б)

87

в)

Рисунок 3.11 – Залежність коефіцієнту тертя від температури на:

а – чистих рейках під спільним впливом озонованого повітряного

потоку і електричного струму: 1 – без впливу струму, 2 – вплив постійного

струму щільністю 32 А/м2, 3 – вплив постійного струму щільністю 65 А/м2,

б – рейках вкритих водою під спільним впливом озонованого

повітряного потоку і електричного струму: 1 – без впливу струму, 2 – вплив

постійного струму щільністю 32 А/м2, 3 – вплив постійного струму

щільністю 65 А/м2 , в –рейках вкритих мастилом під спільним впливом

озонованого повітряного потоку і електричного струму: 1 – без впливу

струму, 2 – вплив постійного струму щільністю 32 А/м2, 3 – вплив постійного

струму щільністю 65 А/м2

3.5 Аналіз ступеня впливу параметрів озонованого повітряного

потоку та електричного струму на коефіцієнт тертя колеса із рейкою

З метою визначення ефективності застосування озонованого

повітряного потоку та електричного струму для підвищення (зниження)

зчіпних властивостей коліс локомотива з рейки, необхідно, на основі

експериментальних стендових досліджень провести аналіз ступеня впливу на

88

коефіцієнт тертя колеса з рейкою їх параметрів, і подальший вибір найбільш

ефективних технологічних параметрів системи.

Для оцінки ступеня впливу застосований метод теорії планування

експерименту, який дозволяє істотно скоротити число експериментів і

отримати математичну модель досліджуваного процесу, оцінити спільний і

самостійний вплив кожного фактору (параметра) на коефіцієнт тертя колеса з

рейкою. Метод планування експериментів і побудова математичної моделі

(рівняння регресії) передбачає:

вибір критерію оптимізації;

вибір факторів, їх рівнів й інтервалів варіювання;

кодування факторів;

складання плану-матриці експерименту;

рандомізація експериментів;

реалізація плану експерименту;

перевірка відтворюваності експерименту;

перевірка адекватності лінійної моделі;

оцінка значимості коефіцієнтів регресії;

отримання рівняння регресії.

Вибір факторів, їх рівнів і інтервалів варіювання, заснований на аналізі

літературних джерел [121, 122], які дозволили для проведення експерименту

вибрати наступні найбільш значущі фактори: концентрація озону CO3,

швидкість подачі озонованого повітряного потоку v, вертикальне

навантаження Р, щільність електричного струму j.

Кожен фактор може приймати в експерименті одне або кілька значень -

рівнів. Кількість експериментів, необхідних для реалізації всіх можливих

поєднань рівнів чинників визначається за формулою:

kUN , (3.4)

де U число рівнів;

k число факторів.

89

Для отримання моделі вибираємо два рівня. Тоді при вирішенні

повнофакторного експерименту (ПФЕ) кількість експериментів, необхідних

для отримання моделі становить N = 23 = 8. Граничні значення варійованих

змінних зведені в таблицю 3.1. Вони вибиралися на основі літературних

джерел, а також відповідно до габаритними параметрами локомотива і

забезпечення впливу потоку на зону контакту.

Таблиця 3.1 – Граничні значення варійованих змінних

Параметр

Наявність електричного струму в контакті «ролик-рейка»

Без впливу

електричного

струму

Змінний

електричний

струм

Постійний

електричний

струм

1. Концентрація озону, мг/м3

QО3 min 1 1 1

QО3 ср 4,5 4,5 4,5

QО3 max 10 10 10

2. Швидкість подачі озонованого повітряного потоку, м/с

vmin 0,2 0,2 0,2

vср 0,85 0,85 0,85

vmax 1,5 1,5 1,5

3. Вертикальне навантаження, Н

Рmin 200 200 200

Pср 250 250 250

Рmax 300 300 300

4. Щільність електричного струму, А/мм2

jmin - 0 0

jср - 32 32

jmax - 65 65

В якості реакції (критерію) приймається максимальний коефіцієнт

тертя колеса з рейкою f отриманий експериментальним шляхом на

стендовій установці «Машина тертя» при впливі озонованого повітряного

потоку та електричного струму на контактуючі поверхні.

В плані n21 x,...x,x - це формалізовані або кодовані фактори, які

визначаються із співвідношення:

90

miniiср

iсрi

iсрmaxi

iсрi1 хх

xхxх

xxx

, (3.5)

де minimaximinimaxіiср x,x;2xхx граничні значення варіювання

незалежних змінних (факторів).

В кодованій системі на підставі виразу (3.2) будуть дотримуватися

відповідності .1xx;0xx;1xx imaxiiiсрimini :

Взаємний вплив факторів описується парними ефектами взаємодії:

mn21 xx,,...xx і потрійним kmn321 xxx,...,xхx . Повне число всіх можливих ефектів,

включаючи, лінійні ефекти і взаємодії всіх порядків, дорівнює числу

експериментів повного факторного експерименту. Число можливих

взаємодій деякого порядку визначається за формулою:

)!mk(!m!kСm

k , (3.6)

де k число чинників;

m число елементів у взаємодії.

При цьому, число парних взаємодій дорівнює 7, а число потрійних - 3.

Рішення завдання, тобто встановлення залежності коефіцієнта тертя від

досліджуваних факторів отримано у вигляді рівняння:

),x,...,x(fу k1 (3.7)

де f функція реакції;

k1 x,x фактори; fy .

Для побудови плану експерименту вибирається вихідна точка

(основний або нульовий рівень), навколо якої визначаються

експериментальні точки, симетричні щодо нульового рівня. Результати

експерименту з обраним набором факторів дозволяють побудувати модель,

91

яка використовується для визначення значень в інших точках факторного

простору.

Пошук математичної моделі починається з розгляду можливих станів

досліджуваної системи. Відповідно до властивістю нормування матриці

плану ПФЕ вираз для визначення оцінки коефіцієнтів рівняння регресії

записується у вигляді:

N

1i

ijii .N

yxb (3.8)

Рівняння регресії коефіцієнта тертя колеса з рейкою від параметрів

озонованого повітряного потоку та електричного струму виводиться

спочатку в кодованому вигляді і має вигляд громіздкого рівняння, яке

необхідно перетворити.

Для перекладу рівняння регресії з кодованої форми в природну,

використана формула переходу (3.2). Підставивши дійсні значення з таблиці

3.5 за формулою 3.6 в кодоване рівняння отримаємо результуюче рівняння

регресії:

залежності граничного коефіцієнта тертя від концентрації, швидкості

подачі озону і вертикального навантаження для:

чистого контакту –

у=0,279-0,01Q-0,12v+0,038P-0.01Q∙v; (3.9)

при наявності води в контакті –

у=0,225-0,00125Q-0,00125v+0,028P-0.00125Q∙v; (3.10)

при наявності мастила в контакті –

у=0,075-0,037Q-0,0039v+0,0017P-0.0037Q∙v, (3.11)

де Q – концентрація озону;

υ – швидкість подачі озонованого повітря;

Р – вертикальне навантаження.

92

залежності граничного коефіцієнта тертя від концентрації, швидкості

подачі озону вертикального навантаження і щільності змінного електричного

струму для:

чистого контакту –

y=0,32-0,012Q+0,021j+0,045P-0,013v-0,012Q∙v; (3.12)

при наявності води в контакті –

y=0,265+0,016j+0,033P-0,0024v+0,0021j∙P; (3.13)

при наявності мастила в контакті –

y=0,14-0,058Q-0,031j+0,041P-0,044v+0,04Q∙j-0,039Q∙P+0,035Q∙v-

0,053j∙P+0,053j∙v-0,053P∙v+0,053Q∙j∙P-0,054Q∙j∙v+0,04j∙P∙v+0,053Q∙P∙v-

0,04Q∙j∙P∙v. (3.14)

залежності граничного коефіцієнта тертя від концентрації, швидкості

подачі озону, вертикального навантаження і щільності постійного

електричного струму для:

чистого контакту –

y=0,331-0,013Q+0,021j+0,047P-0,014v-0,013Q∙v; (3.15)

при наявності води у контакті –

y=0,264+0,015j+0,031P+0,0042j∙P; (3.16)

при наявності мастила у контакті –

y=0,141-0,058Q-0,031j+0,041P-0,044v+0,04Q∙j-0,039Q∙P+0,035Q∙v-

0,053j∙P+0,053j∙v-0,053P∙v+0,053Q∙j∙P-0,054Q∙j∙v+0,04j∙P∙v+0,053Q∙P∙v-

0,04Q∙j∙P∙v. (3.17)

Отримані рівняння регресії (3.9) і (3.17) дають можливість оцінити

вплив на коефіцієнт зчеплення параметрів озонованого повітряного потоку та

електричного струму на параметри локомотива в процесі експлуатації

(рисунки 3.12).

Визначено ступені впливу на коефіцієнт тертя, який реалізується

робочим роликом «Машини тертя» на рейці з чистою поверхнею, за

93

параметрами цих методів:

при подачі озонованого повітряного потоку: Q – 19,2%, v –

21,2%, P – 57,7%;

при подачі електричного струму – 32%, P – 68%;

при подачі електричного струму спільно з озоном: – 20%, Q –

12%, v – 13%, P – 43%.

Отримані експериментальні дані на стендовій установці свідчать про

те, що незалежно від фрикційного стану, при подачі озонованого повітряного

потоку до трибоконтакту, спостерігається зниження граничного коефіцієнта

тертя. При цьому найбільший позитивний ефект після впливу озонованого

повітряного потоку спостерігається при максимальній концентрації озону 10

мг/кг, швидкості повітряного потоку 1,5 м/с на замаслених рейках (20%), а

найменший ефект – на рейках, вкритих водою (2%). Використання

постійного та змінного струму призводить до збільшення коефіцієнта тертя,

що добре збігається з результатами досліджень Воробйова Д.В., Петракова

Д.І., Матлахова В.П. та Шадського В.Г. Однак спільний вплив способів

подачі струму та озону вивчався вперше. Встановлено зниження граничної

величини коефіцієнта тертя за умови різних фрикційних станів і видів струму

та їх спільної дії. Зокрема, найменше зниження (22 … 23%) спостерігається

на рейках вкритих водою (рисунок 3.13).

94

Рисунок 3.13 – Діаграма зміни граничного коефіцієнта тертя в залежності від

фрикційного стану та досліджуваного способу поліпшення контактної

взаємодії

3.6. Експериментальні дослідження впливу озонованого

повітряного потоку та електричного струму на фрикційні параметри

контакту

Отримані залежності коефіцієнта тертя від температури дозволили

удосконалити математичну модель фрикційної взаємодії колеса з рейковою

колією (розділ 2) шляхом урахування впливу озонованого повітряного

потоку та електричного струму на контакт завдяки внесення до неї

експериментальних залежностей, отриманих експериментально. Це

дозволило отримати характеристики зчеплення у контакті колеса з рейкою

при різному фрикційному стані трибоповерхонь (рисунки 3.14).

І

95

ІІ

ІІІ

Рисунок 3.14 – Характеристика зчеплення від ковзання при умові:

І – чистого контакту: а – без впливу, б – при подачі струму, в – дія

озонованого повітряного потоку, г – спільний вплив струму і озону, ІІ –

контакту вкритому водою: а – без впливу, б – при подачі струму, в – дія

озонованого повітряного потоку, г – спільний вплив струму і озону, ІІІ –

96

контакту вкритому мастилом: а – без впливу, б – при подачі струму, в – дія

озонованого повітряного потоку

Встановлено, що під впливом озонованого повітря коефіцієнт тертя

знижується, що негативно впливає на зчіпні якості в контакті колеса з

рейкою. При цьому на чистих рейках (рисунок 3.14, І, в) коефіцієнт

зчеплення знижується з 0,32 до 0,26, на покритих водою – з 0,25 до 0,19

(рисунок 3.14,ІІ, в), на замащених – з 0,095 до 0,07 (рисунок 3.14, ІІІ, в).

Також збільшується ковзання в контакті відповідно: на сухих рейках – з 7,5

% до 12,5 %, на вкритих водою – з 15 % до 25 % та на замащених – з 20 % до

25 %.

Протилежну дію має вплив на контакт електричного струму. При

цьому за рахунок очищення контакту досягається покращення зчіпних

якостей. Так, коефіцієнт зчеплення збільшується: з 0,32 до 0,39 – при

зменшенні ковзання в контакті з 7,5 % до 6 % на чистих рейках (рисунок

3.14, І, б); з 0,25 до 0,29 – при зменшенні ковзання в контакті з 15 % до 7,5 %

на рейках вкритих водою (рисунок 3.14, ІІ, б); з 0,095 до 0,12 – при

зменшенні ковзання в контакті з 20 % до 10 % на рейках вкритих мастилом

(рисунок 3.14, ІІІ, б).

Спільна дія озонованого повітря з електричним струмом не призводить

до негативних наслідків у трибосполученні (рисунок 3.16, г). При цьому

значення коефіцієнта зчеплення, в залежності від рівня забруднень, буде або

таке ж як при відсутності додаткового впливу, або нижче (рисунки 3.14,

І та 3.14, ІІІ, г,). Відповідно використання озонованого повітря ефективно в

трибоконтакті гребня колеса з рейкою для зниження коефіцієнта тертя та

зменшення зношування робочих поверхонь.

97

3.7. Дослідження впливу електричного струму на знос трибосполучення

«ролик-ролик»

Для підтвердження основних закономірностей викладених у розділі 2, а

саме по впливу електричного струму на знос трибосполучення «ролик-

ролик» проведено експериментальні дослідження на випробувальній машині

СМЦ-2.

Машина моделі СМЦ-2 (рисунок 3.15) призначена для випробувань

матеріалів на знос і визначення їх фрикційних властивостей при терті

ковзанні і кочення в умовах нормальної температури в парі тертя «ролик-

ролик» і додатково оснащена системою подачі електричного струму (рисунок

3.15) , яка включає:

• трансформатор ТДМ-500;

• трансформатор струму;

• амперметр.

Діапазони зміни параметрів роботи СМЦ-2 при цьому перебували в

наступних межах:

• частота обертання - 300, 500, 1000 об / хв;.

• коефіцієнт проковзування круглих зразків з однаковими діаметрами -

0, 5, 10, 20%;

• діапазон вимірювання навантаження - 0 ... 5 кН.

98

Рисунок 3.15 – Машина випробувальна СМЦ-2 з системою подачі

електричного струму: 1 -Трансформатори ТДМ-500, 2 - трансформатор

струму,

3 – амперметр

В якості експериментальних зразків використовувалися ролики,

виготовлені з рейкової бандажної стали. Верхній і нижній ролики мають

зовнішній діаметр 40 ∙ 10-3 м, внутрішній діаметр 16 ∙ 10-3 м і шириною 10 ∙

10-3 м, твердість поверхонь становить відповідно 269 НВ і 350 НВ, чистота

обробки відповідає 7 класу відповідно до ДСТУ 2785- 75.

Метою експериментальних досліджень було визначення роботи сил

тертя в контакті «ролик-ролик» при протікає через нього електричний струм

за умов наближених до реального контакту «колесо-рейка».

Шлях тертя визначався по залежності:

tnV

VVbS

1

212 , (3.18)

де b – напівширина площині контакту:

99

пр

прd

ElRFk

b

522,1 , (3.19)

тут Kd = 1 – динамічний коефіцієнт, для безударного циклічного

навантаження;

прR - приведений радіус:

21

21

rrrrRпр

, (3.20)

тут r1 і r2 – радіуси випробовуваних зразків; прE наведений

модуль:

21

212EEEEEпр , (3.21)

тут Е1 і Е2 – модуль нормальної пружності випробовуваних

матеріалів;

V1 і V2 – лінійні швидкості зразків:

2301

1DnpV ; (3.22)

sVV 12 ,

тут s – коефіцієнт проковзування.

Робота тертя:

SFW тр , (3.23)

fPFтр , (3.24)

де Р – нормальна сила;

f - коефіцієнт тертя.

Час зношування зразків:

nNt , (3.25)

100

де: N – число циклів навантаження;

n – частота обертання зразка.

Результати серії експериментів по визначенню впливу пропускається

електричного струму через контакт «ролик-ролик» на фрикційні властивості

представлені на рисунку 3.16.

Експериментальні дослідження, представлені на рисунку 3.16,

підтверджують результати моделювання, наведеного вище. На графіку

представлена крива 4, яка характеризує знос поверхні деталі під впливом

піску з різною швидкістю його подачі, згідно з дослідженнями [88]. При

порівнянні кривих 1 - 3 і 4 видно, що знос від впливу піску в кілька разів

перевищує знос від впливу електричного струму.

Рисунок 3.16 – Залежність зносу роликів від навантаження при

наявності електричного струму: 1 – сила струму 100А, 2 – сила струму 200 А,

3 – сила струму 300А, 4 – знос під впливом піску [33]

Співставлення результатів теоретичних та експериментальних

досліджень впливу електричного струму на величину зносу показало добру

101

сходимість результатів. А саме, похибка склала не більше 10%, що свідчить

про адекватність запропонованого теоретичного підходу до оцінки величини

зносу трибоповерхонь.

3.8. Визначення перехідного опору контакту «колесо-рейка» в

залежності від фрикційного стану

Проведено дослідження впливу електричного струму високої щільності

на фрикційний контакт при наявності в ньому піску. Кварцевий пісок є

діелектриком і, отже, в контакті утворюється діелектричний бар'єр. При

пропусканні електричного струму виникає пробій, утворюються містки

провідності, які нагрівають і розплавляють піки шорсткостей поверхневого

шару, що призводить до ерозійного зносу [89], наочно представленому на

рисунку 3.17, де зображений ролик після проведених експериментальних

досліджень при наявності в контакті піску і впливі електричного струму.

Рисунок 3.17 – Ерозійне зношування ролика при впливі електричного

струму високої щільності при наявності піску

Для визначення перехідного опору контакту «колесо-рейка» при

різному фрикційні стані використано притисний пристрій, закріплений на

пресі ПГ-100А. Вертикальне навантаження здійснювалося з силою 6-14 т, яке

вибиралось згідно динамічного навантаження для тепловоза 2ТЕ116:

ДСТДИН К1РР , (3.26)

102

де: ДИНР - динамічне навантаження, кН;

СТР - статичне навантаження, кН;

ДК - коефіцієнт вертикальної динаміки:

СТ

КД f

V2,01,0К , (3.27)

де: КV - конструкційна швидкість тепловоза 2ТЕ116;

СТf - статичний прогин ресорного підвішування тепловоза 2ТЕ116.

Схема вимірювання перехідного опору контакту «колесо-рейка»

представлена на рисунку 3.18

Рисунок 3.18 – Схема вимірювання перехідного опору контакту «колесо-

рейка»: I - прес ПГ-100А; II - притискний пристрій для вимірювання

перехідного опору контакту «колесо-рейка»: 1 - фрагмент рейки, 2 - фрагмент

бандажа, 3 - нижня фіксуюча плита, 4 - напрямна, 5 - верхня фіксуюча плита;

III - манометр; IV - випрямляч НД-10; V - цифровий вольтметр

103

В якості реєструючого обладнання застосовувався цифровий

вольтметр. Електричний струм пропускався через випрямляч IV, цифровий

вольтметр V, фрагмент бандажа II 2, встановлений на фрагменті рейки II 1,

закріплених в притискному пристрої II, на пресі I (рисунок 3.18), і

реєструвалася величина перехідного опору в залежності від вертикального

навантаження при різному фрикційних стані трибосполучення.

Отримані результати представлені на рис.3.19

Рисунок 3.19 – Перехідний опір контакту «колесо-рейка» при різному

фрикційні стані трибосполучення: а – суха рейка, б – вкрита водою,

в – вкрита мастилом, г - пісок

В результаті досліджень встановлено, що найбільша величина

перехідного опору спостерігається при наявності кварцевого піску на

поверхні рейки, це пояснюється його діелектричними властивостями і

питомою електричною проникністю, яка для сухого піску дорівнює 2000 Ом ∙

м. Для порівняння питомий опір води 70 Ом ∙ м.

Наявність відпрацьованого мастила на поверхні рейки знижує

перехідний опір відносно чистої рейки, тому що у своєму складі має металеві

включення (Fe, Cr, Cu, Sn, Al, Pb і ін). Це пов'язано з величиною в'язкості і

104

заповненням шорсткуватих мікронерівностей спільно з металевими

включеннями, які є провідними речовинами. Питомий електричний

опір сталі 1,3 ∙ 10-7 Ом ∙ м.

3.9. Оцінка ризику впровадження досліджуваних факторів, що

впливають на рівень коефіцієнта зчеплення на основі імітаційного

моделювання, методом «Монте-Карло»

3.9.1. Інноваційні ризики впровадження технічних рішень на транспорті

Інвестиції – основний метод розширеного відтворення основного

капіталу. Одним з перспективних методів інвестицій в передових країнах

світу є інноваційні інвестиції. Вивчення стану інноваційної діяльності

залізничної промисловості України свідчить про те, що її рівень залишається

низьким, а саме, частка підприємств, які здійснювали інновації, становить

близько 11% - 12% [90]. За даними Державного комітету статистики України

основною причиною, яка стримує інноваційну діяльність в промисловості,

була і залишається проблема ризику впровадження нових технічних рішень

[91].

Для підвищення ефективності прийняття рішень про впровадження

інноваційних проектів на машинобудівному підприємстві, необхідний

інструментарій підтримки прийняття рішень, що включає оцінку рівня

ризиків та економічної безпеки, яка здійснюється за допомогою експертних

оцінок, що дозволяє підвищити вірогідність прийняття правильного

управлінського рішення.

Вивчення зарубіжного досвіду показало, що інвестиції в інноваційну

діяльність підприємств є в середньому високоокупні (вигідними,

виправданими), незважаючи на значний ризик здійснення таких інвестицій і

тривалий період їх окупності. Причому інвестиції в наукові розробки

приносять ефект не тільки окремому підприємству, що їх здійснює, але і

суспільству в цілому [92].

105

Оцінюючи ефективність інвестицій в інноваційну діяльність

підприємств, існує ризик, що при виборі окремих інновацій для таких

досліджень необхідно розглядати ті, які забезпечили високу віддачу на

вкладені інвестиції.

Основним критерієм оцінки ризику в залізничному транспорті є

безпека руху під час перевезення вантажопасажирських складів. Рівень

безпеки прийнято характеризувати ймовірністю реалізації тих чи інших

небезпек і загроз, явищ і процесів, що виникають і супроводжуються

формуванням негативного впливу на людину і навколишнє середовище,

тобто математичним очікуванням найбільш важливих видів шкоди [93].

Можливі сценарії впровадження інноваційних технічних рішень

можуть привести до значних матеріальних втрат, що стало причиною

створення і застосування на практиці системних підходів, методів та

інструментів для оцінки ризику їх впровадження.

Процес оцінки ризику включає в себе:

• опис системи, ідентифікація небезпек і розробка можливих сценаріїв

нещасних випадків і наслідків тих чи інших подій, пов'язаних з перевізним

процесом;

• оцінку впливу або наслідків впливу подібних подій на людей,

матеріальні цінності та на навколишнє середовище;

• обчислення ймовірності подібного несприятливого результату на

практиці і його наслідків, в залежності від різних експлуатаційних та

організаційних заходів забезпечення безпеки;

• кількісний опис рівнів ризику за межами об'єкта з точки зору

наслідків і ймовірності;

• оцінку рівнів ризику шляхом їх порівняння з певними кількісними

критеріями.

Одним із методів, який дозволяє кількісно оцінити ризики

впровадження, а саме моделювати випадкові величини з метою обчислення

характеристик їх розподілів, є метод Монте-Карло. Моделювання за методом

106

Монте-Карло дозволяє побудувати математичну модель для процесу з

невизначеними значеннями параметрів, знаючи ймовірнісні розподіли

параметрів процесу, а також зв'язок між змінами параметрів (кореляцію),

отримати розподіл прибутковості проекту.

Різні типи проектів мають різну вразливість з боку ризиків, що

з'ясовується при моделюванні. Імітаційне моделювання методом Монте-

Карло має кілька стадій:

1. Перша стадія в процесі аналізу ризику – це створення прогнозної

моделі. Така модель визначає математичні відносини між числовими

змінними, які відносяться до прогнозу обраного фінансового показника.

Вихідні дані здійснюваного прогнозу отримання економічної вигоди і

витрат заносяться в таблицю (таблиця 3.2). Їх максимальні та мінімальні

значення вибираються з літературних джерел, в яких досліджено кожне із

запропонованих до впровадження технічне рішення [94, 95].

В якості базової моделі для аналізу інвестиційного ризику зазвичай

використовується модель розрахунку показника NPV (чистий дисконтований

дохід). NPV проекту буде позитивним, а сам проект – ефективний, якщо

розрахунки показують, що проект покриває свої внутрішні витрати, а також

приносить власникам капіталу дохід не нижче, ніж вони задали.

2. Друга стадія полягає в імітації прогнозованої моделі. Генерується

досить великий обсяг випадкових сценаріїв, кожен з яких відповідає

визначеним значенням грошових потоків. Генеровані сценарії збираються

разом, і проводиться їх статистична обробка для встановлення частки

сценаріїв, які відповідають від'ємного значення NPV. Ставлення таких

сценаріїв до загальної кількості сценаріїв дає оцінку ризику інвестицій.

Розподіл ймовірностей змінних моделей диктує можливість вибору

величин з певних діапазонів. Розподіл є математичним інструментом, за

допомогою якого надається вага всім можливим результатам. Цим

контролюється випадковий вибір значень для кожної змінної в ході

107

моделювання. При аналізі ризиків використовується інформація, що

міститься в розподілі ймовірності з множинними значеннями.

Таблиця 3.2 – Вихідні дані для прогнозу одержуваної економічної

вигоди і витрат при впровадженні інноваційних рішень

Фактори економічного ефекту Фактори витрат при впровадженні

Позначе

ння Найменування

Од.

вимір

у

Позна

чення Найменування

Од.

виміру

ES Енергозбереження грн. IC Інтелектуальні витрати чол./год

RS Ресурсозбереження грн. MC Матеріальні витрати грн.

LS Економія

трудовитрат

грн. LC Трудові витрати чол./год

EC Екологозаощадженн

я

грн. SC Сервісне обслуговування чол./год

В ході моделювання значення змінних вибираються випадково в

межах заданих діапазонів, відповідно до розподілів ймовірностей і умовами

кореляцій. Для кожного набору таких змінних обчислюється значення

показника ефективності проекту, приклад розрахунку ефективності проекту

представлений на рисунку 3.20. Всі отримані значення зберігаються для

подальшої статистичної обробки.

Рисунок 3.20 – Розрахунок ефективності проекту

108

Для практичного здійснення оцінки ризику впровадження нових

технічних рішень на транспорті за методом Монте-Карло, моделювання

проводиться в пакеті програм Microsoft Excel. Генерування випадкових чисел

цей пакет здійснює на основі використання датчика псевдовипадкових чисел,

які розраховуються за певним алгоритмом. Особливістю пакету є те, що він

вміє генерувати корельовані випадкові числа.

Остаточною стадією аналізу ризиків є обробка та інтерпретація

результатів, отриманих на стадії прогонів моделі. Кожний прогін представляє

ймовірність події, рівну:

p = 100 / n, (3.28)

де р – ймовірність одиничного прогнозу, %; n – розмір вибірки.

В якості запобіжного ризику в інвестиційному проектуванні доцільно

використовувати безпеку модельованого проекту, виражену у відсотках.

Для наочного прикладу розглянемо перспективні технології, а саме -

методи оптимізації фрикційної взаємодії колеса з рейкою, що є основою

безпеки руху рухомого складу. Вони застосовні на залізничному транспорті

та теоретично є економічно вигідними, однак на практиці рішення цих

питань пов’язане з певним ступенем ризику, який на даний момент важко

спрогнозувати і врахувати. Ґрунтуватися будемо на методах оптимізації

фрикційної взаємодії коліс з рейками, представлених на рисунку 3.17 [96].

Виконана оцінка ризику впровадження інноваційних технічних

рішень, представлених вище, результати якої представлені на рисунку 3.21.

109

а)

б)

Рисунок 3.21 – Оцінка ризику впровадження інноваційних методів:

а – збільшення коефіцієнту-та зчеплення 1 - активація електричним струмом,

2 - пневмо-імпульсна очистка, 3 - пневмоструменеве очищення, 4 -

шліфування рейок, 5 - очищення сухим льодом, 6 - лазерне очищення, 7 -

використання модифікаторів тертя, 8 - плазмове очищення, 9 - очистка НВЧ і

УФ, 10 - подача керамічних частинок, 11 - хімічне очищення, 12 - очищення

магнітним полем, 13 - механічна очистка; б – зниження тертя в контакті

«гребінь колеса - рейка»: 1 - нанесення мастильних матеріалів на гребені

колісних пар, 2 - нанесення мастильних матеріалів на рейки, 3 - нанесення

мастильних матеріалів, які володіють магнітними властивостями, 4 -

нанесення полімерних антифрикційних матеріалів, 5 - нанесення порошків на

базі мінералів, 6 - нанесення реметаллізаторів на поверхню тертя

3.9.2. Опис комп’ютерної програми «Програма оцінки ризиків та

економічної безпеки впровадження інноваційних проектів»

За результатами імітаційного моделювання, методом «Монте-Карло»

було створено комп’ютерну програму, та отримано свідоцтво про реєстрацію

авторського права на твір № 54857. Вихідний текст програми описано у

додатку 2.

110

Програма оцінки ризиків та економічної безпеки впровадження

інноваційних проектів визначає беззбитковість, ефект та витрати

інноваційного проекту за відомими границями значень факторів ефекту та

витрат, із застосуванням метода Монте-Карло, тобто шляхом отримання

великого числа реалізацій стохастичного процесу, який формується таким

чином, щоб його імовірнісні характеристики співпадали з аналогічними

величинами розв'язуваної задачі.

В першому вікні програми необхідно ввести мінімальні та максимальні

значення факторів ефекту та витрат, які враховуються у розрахунках

(рисунку 3.22). Також для факторів витрат зазначається ціна.

В наступному вікні наводяться результати моделювання стохастичного

процесу (рисунок 3.22, б). В таблицях наведено дані щодо ймовірностей

відповідного значення ефекту або витрат, ймовірність беззбитковості

проекту. За всіма таблицями будуються стовбчасті діаграми (рисунок 3.22, в).

а)

111

б)

в)

Рисунок 3.22 – Вікна програми авторського права на твір № 54857:

а – вікно вводу вхідних параметрів, б – вікно результатів моделювання,

в – діаграма витрат

112

Висновки по третьому розділу

1. Визначено ступені впливу на коефіцієнт тертя, який реалізується

робочим роликом «Машини тертя» на рейці з чистою поверхнею, за

параметрами цих методів:

при подачі озонованого повітряного потоку: Q – 19,2%, v – 21,2%, P –

57,7%;

при подачі електричного струму – 32%, P – 68%;

при подачі електричного струму спільно з озоном: – 20%, Q – 12%, v

– 13%, P – 43%.

2. Встановлено, що під впливом озонованого повітря коефіцієнт тертя

знижується, що негативно впливає на зчіпні якості в контакті колеса з

рейкою. При цьому на чистих рейках коефіцієнт зчеплення знижується з 0,32

до 0,26, на покритих водою – з 0,25 до 0,19, на замащених – з 0,095 до 0,07.

Також збільшується ковзання в контакті відповідно: на сухих рейках – з 7,5

% до 12,5 %, на вкритих водою – з 15 % до 25 % та на замащених – з 20 % до

25 %. Протилежну дію має вплив на контакт електричного струму. При

цьому за рахунок очищення контакту досягається покращення зчіпних

якостей. Так, коефіцієнт зчеплення збільшується: з 0,32 до 0,39 – при

зменшенні ковзання в контакті з 7,5 % до 6 % на чистих рейках; з 0,25 до 0,29

– при зменшенні ковзання в контакті з 15 % до 7,5 % на рейках вкритих

водою (рисунок 3.17, б); з 0,095 до 0,12 – при зменшенні ковзання в контакті

з 20 % до 10 % на рейках вкритих мастилом. Спільна дія озонованого повітря

з електричним струмом не призводить до негативних наслідків у

трибосполученні. При цьому значення коефіцієнта зчеплення, в залежності

від рівня забруднень, буде або таке ж, як при відсутності додаткового впливу,

або нижче (рисунки 3.17 та 3.18, г,). Відповідно використання озонованого

повітря ефективно в трибоконтакті гребня колеса з рейкою для зниження

коефіцієнта тертя та зменшення зношування робочих поверхонь.

113

3. Визначено, що метод підвищення зчеплення шляхом подачі

електричного струму в контакт колеса з рейкою здатний частково замінити

подачу піску в пару тертя «колесо-рейка». Механізм впливу електричного

струму на трибосполучення заснований на тому, що в систему привноситься

додаткове тепло, відбуваються пластичні деформації, збільшується пляма

контакту колеса з рейкою, що сприяє підвищенню зчеплення [97]. Величина

зносу залежить від прикладеного навантаження і температури в

трибосполученні.

4. У роботі використовувався метод оцінки ризику при впровадженні

інноваційних технічних рішень для поліпшення фрикційної взаємодії в

двоточковому контакті «колесо-рейка» на основі методу Монте-Карло, при

цьому результати моделювання збігаються з прийняттям рішень щодо вибору

найбільш перспективних способів поліпшення умов контактування в

трибосполученні «колесо-рейка» методом експертного оцінювання. В

результаті проведеного імітаційного моделювання виявлено найменш

ризиковані технічні рішення для впровадження на залізничному транспорті,

спрямованих на їх зниження.

.

114

РОЗДІЛ 4

РЕАЛІЗАЦІЯ РОЗРОБЛЕНИХ ТЕХНІЧНИХ РІШЕНЬ ДЛЯ

ПОКРАЩЕННЯ ВЗАЄМОДІЇ РУХОМОГО СКЛАДУ ТА ШЛЯХУ

4.1. Технічні рішення щодо пристроїв для змащування гребнів

коліс рейкових транспортних засобів та способів підвищення зчеплення і

зниження зносу колеса з рейкою

4.1.1. Спосіб визначення лінійної швидкості локомотива

Для забезпечення безпеки руху поїздів й оцінки роботи машиніста

протягом руху, необхідно, як можна точніше визначати лінійну швидкість

локомотива. Висока точність вимірювання лінійної швидкості дозволяє

правильно розрахувати величину гальмівного шляху, довжина якого

залежить від квадрата швидкості, визначити поточну координату або

пройдений шлях, що особливо важливо в умовах прямування поїзда в

границях станції, у тому числі при його зупинці на обмеженій ділянці.

Маючи інформацію про лінійну швидкість локомотива можна надійно

ідентифікувати, режими боксування і юзу.

На сьогоднішній день на локомотивах для виміру швидкості й

пройденого шляху в основному встановлюють колісні датчики шляху й

швидкості. Їх кріплять на осі коліс локомотива, одному повороту колеса при

цьому відповідає певна кількість імпульсів у вихідній шині датчика.

Оскільки колесо стикається з рейкою, то непередбачений вплив на точність

показань датчиків роблять такі фактори, як прослизання і пробуксовування

коліс локомотива. Впливають на якість вимірів і помилки у визначенні

діаметра бандажа ( що стикається з рейкою робочої частини колеса)

внаслідок його зменшення через зношування в процесі експлуатації тощо. У

результаті всіх зазначених недоліків, сьогодні при використанні таких

датчиків похибках становить до 50-70 м на кілометр шляху [98].

Нові навігаційні системи, які встановлюються на залізничних дорогах,

115

а саме супутникові системи навігації ГЛОНАСС/GPS хоч й є передовими

технологіями, але володіють рядом недоліків, тому що похибки вимірів,

проведених з їх допомогою, залежать від багатьох факторів: вплив іоносфери

Землі, хмарність, відбиття сигналів від навколишніх предметів і поверхонь,

геометрія розташування супутників тощо. Похибки у визначенні координат

користувача за допомогою даних засобів навігації на об'єктах, що рухаються

можуть досягати 15 м і більше [99].

Одним зі способів визначення лінійної швидкості локомотива, що

дозволяє уникнути негативний вплив вище перерахованих факторів – це

використання сигналів автоматичної локомотивної сигналізації.

Автоматична локомотивна сигналізація, являє собою комплекс

пристроїв, що автоматично повторюють у кабіні машиніста показання

колійних світлофорів, до яких наближається поїзд, незалежно від профілю

колії й погодних умов, а також забезпечує машиніста локомотива

інформацією про поїзну обстановку, контролює швидкість, пильність,

формує сигнал для реєстрації на стрічці локомотивного швидкостеміра. При

цьому для передачі інформації на локомотив використовується всього три

активних сигнали, а елементна база - електромагнітні реле, вимагає більших

експлуатаційних витрат і не дозволяє значно підвищити надійність апаратури

і розширити її функціональні можливості.

Періодично в рейковий ланцюг посилається електричний сигнал

змінного струму з певним числом імпульсів і тривалістю паузи між

імпульсами й серіями імпульсів, що відповідає певному кольору світлофора

(рисунок 4.1) [100].

Вимір лінійної швидкості локомотива здійснюється шляхом реєстрації

зрушення фаз сигналу світлофора. Так під час стоянки локомотива,

записується вихідна кодова посилка імпульсів певного світла світлофора й

пізніше рівняється із цією ж посилкою імпульсів у русі (рисунок 4.2, а). Далі

при розгоні локомотива утвориться зрушення фаз на величину Δt рис. 4.2, що

буде відповідати величині швидкості (рисунок 4.2, б). Наступне збільшення

116

швидкості буде рівнятися з попереднім і підсумовуватися. При гальмуванні

зрушення буде мати негативний знак. (рисунок 4.2, в).

Рисунок 4.1 – Передача кодів автоматичної локомотивної сигналізації

Рисунок 4.2 – Зрушення фаз комбінації вироблюваної КПТ-5 зеленого

світлофора, а-еталонний сигнал, б- порівнюваний сигнал при русі вперед,

в - порівнюваний сигнал при русі назад

117

4.1.2. Спосіб зниження гальмівного шляху при екстреному гальмуванні

Явище, коли колесо припиняє своє обертання й починає ковзання по

рейці при гальмуванні поїзда, називається заклинюванням або юзом. Як

правило, заклинювання колісної пари не відбувається миттєво. Попередньо

колісна пара починає прослизати, швидкість її стає менше поступової

швидкості локомотива, це призводить до збільшення гальмівної сили – за

рахунок підвищення коефіцієнта тертя .

У точці контакту колеса з рейкою кінетична енергія перетворюється на

теплову, що може привести до зсуву металу на поверхні кочення колеса при

прослизанні (утворення мікросхоплень), тому, максимальна величина

гальмівної сили обмежується умовами зчеплення коліс з рейками. Отже, щоб

уникнути режим юза та знизити гальмівний шлях локомотива максимальне

гальмівне зусилля притиснення приймають таким, щоб гальмівна сила не

перевищувала силу зчеплення колеса з рейкою. Для цього має виконуватися

правило:

СЦГ FF , (4.1)

де ГF - гальмівна сила; СЦF - сила зчеплення,

або

qfКК , (4.2)

де К - коефіцієнт тертя у колодках; К - сила притиснення колодок до вісі;

f - коефіцієнт зчеплення колеса з рейкою; q - осьове навантаження.

Внаслідок вище зазначеного ефективним способом зниження

гальмівного шляху при екстреному гальмуванні є керування коефіцієнту

зчеплення колеса з рейкою, що дозволить підвищити гальмівну силу при

екстреному гальмуванні не переходячи у режим юзу.

Теоретичні та експериментальні дослідження впливу температури на

тертя та знос у парі «колесо-рейка» свідчать, що коефіцієнт зчеплення при

118

зміні температури може знижуватися, зростати чи проходити через один або

два мінімуми [101, 102].

При екстреному гальмуванні температура у контакті колеса з рейкою

досягає величин більш ніж 1000 0С [103].Найбільший коефіцієнт зчеплення

досягається при значно менших температурах близьких до 400 0С в

залежності від умов тертя. Це підтверджують неодноразові дослідження

зчеплення колеса з рейкою [55]. Для найменшого гальмівного шляху та

найбільш ефективного екстреного гальмування (безюзне гальмування)

необхідно зменшити кінетичну енергію локомотиву, яка виділяється у

контактах коліс з рейками у вигляді тепла до температури з найбільшим

коефіцієнтом зчеплення, поглинаючи тепло.

Тому у зазначеному технічному рішенні пропонується подача сухого

льоду у контакт колеса з рейкою при екстреному гальмуванні, що приведе до

того, що часточки сухого льоду очистять поверхню рейки, внаслідок процесу

сублімації, охолодять поверхню рейки до температури з найбільш високим

коефіцієнтом зчеплення та знизять гальмівний шлях локомотива, а також

внаслідок процесу термічного шоку, зменшиться вірогідність утворення

мікротріщин та відбудеться процес очистки його внаслідок створення

«мікро-вибухів» на поверхні рейки, знизиться вірогідність пошкодження

колеса та рейок внаслідок використання в якості абразивного матеріалу

часточок сухого льоду, тому що по шкалі твердості Моса сухий лід м’якіше

піску приблизно у 2,5 рази.

Наприклад, розрахуємо кількість сухого льоду для екстреного

гальмування тепловозу 2ТЕ116, який рухається із лінійною швидкістю 60

км/год. Для цього розрахуємо тепловий баланс, з урахуванням того, що один

кілограм сухого льоду поглинає біля 590 кДж енергії.

Кількість енергії, отриманої в результаті роботи сил тертя при

гальмуванні у контакті колеса з рейкою має дорівнювати 1/3 енергії, яка буде

поглинена сухим льодом, визначимо по формулі:

слск QτVPαQ 3/1 , (4.3)

119

де - коефіцієнт розподілу теплових потоків (приймемо 5,0 [4]); Р –

навантаження, яке діє на колісну пару; - коефіцієнт тертя; скV швидкість

ковзання, дорівнює 10-15% від лінійної швидкості; час гальмування;

слQ енергія сухого льоду.

Розрахунок свідчить, що при екстреному гальмуванні локомотива під

кожну колісну пару необхідно підсипати близько 300 гр. сухого льоду, в

цілому на локомотив необхідно близько 3 кг.

4.1.3. Розробка пристроїв для керування тертям у контакті «колесо-рейка»

Розроблена і запатентована конструкція гребнезмащувачу рідкого типу

(рисунок 4.3) [104, 105, 106], в основу якої покладено передумови активації

мастила коронним розрядом.

При поданні сигналу про входження в криву індукційним імпульсним

датчиком 8, який пов'язаний з колісною парою, і сигналу приладу 9 для

визначення напряму руху рухомого складу на вхід електронного приладу

управління 7, який подає сигнал на магістральний клапан 6, призводить до

спрацьовування роз’єднувального крану 2. Повітря з живильної повітряної

магістралі 5 локомотиву через фільтр 3 по трубопроводу 1 підводиться знизу

до резервуару 4 з мастильною рідиною. У резервуарі 4 відбувається

барботування мастильної рідини, внаслідок чого утворюється мастильно-

повітряна суміш, яка потрапляє в трубопровід 1 і спрямовується до форсунок

10 (рисунок 4.3, а.) [98, 99, 100, 107, 108].

120

а)

б)

Рисунок 4.3 – Пристрій для змащування гребенів колісної пари :

а – загальна схема пристрою; б – форсунка [98, 99, 100, 101, 102]

У форсунках 10, потік мастильно-повітряної суміші проходить в

проміжку між коронуючим електродом 11 і корпусом 12 форсунок 10, де

створюється електричне поле джерелом живлення 13 і пробивають

електричні розряди. У проміжку відбувається іонізація і озонування

мастильно-повітряної суміші, яка прискорюється потоком повітря з сопла

форсунки 10 і спрямовується на гребінь колеса рейкового транспорту. При

цьому, потік повітря, що виходить з сопла форсунки 10, утворює повітряну

«трубу», чим зменшує розсіювання мастильно-повітряного струменя

(рисунок 4.4, б.) [98, 99, 100, 101, 102].

Основною перевагою запропонованого пристрою для змащування

гребенів коліс є іонізація мастильно-повітряної суміші, яка дозволяє

зменшити розмір часток розпорошеної змащуючої рідини в 2-3 рази,

понизити шорсткість поверхні гребеня колеса і рейки в 2 рази, скоротити

пляму розсіяння часток розпорошеної мастильно-повітряної суміші, момент

тертя і поліпшити динаміку процесів контактної взаємодії гребеня колеса і

рейки, стабілізуючи її, що пояснюється впливом на хімічно активні поверхні

тертя з утворенням оксидний плівки [24, 25, 98, 99, 100, 101].

121

а)

1

1312

Джерело

Живлення

1213

б

б)

в)

Рисунок 4.4 – Механічна активація - ультразвукові коливання

а) загальна схема пристрою; б), в) розташування джерела ультразвукових

коливань у форсунці і в масляному баку, відповідно

1 - форсунка; 2 – трубопровід; 3 – зворотний клапан; 4 – масляний бак;

5 – імпульсний датчик; 6 – трубопровід; 7 – електропневматичний вентиль;

8 – пневмомагістраль; 9 – очисник повітря; 10 – підсилювач; 11 – редуктор;

12 – магнітострикційний вібратор; 13 – джерело живлення [109,98, 99]

Проведений аналіз патентних і літературних джерел, приведений в

[110] в розділі 1.3, показав, що в умовах інтенсивного впровадження

ресурсозбереження і підвищення ефективності систем, що застосовуються на

122

тепловозах, відсутні пропозиції по використанню способів активації мастил в

системі «гребінь колеса - рейка», класифікація якої приведена вище

(рисунок 4.5).

Рисунок 4.5 – Вплив способу подачі змащення на шорсткість поверхні

На кафедрі залізничного транспорту СНУ ім. В. Даля ведуться

дослідження, спрямовані на створення оптимальної конструкції

гребнезмащувача рідкого типу, що відповідає сучасним вимогам

ресурсозбереження, за участю авторів роботи. Розроблений ряд конструкцій

гребнезмащувачів, в яких використовуються передумови активації змазок

(рисунок 4.6). Перевагою пристроїв для змащення гребенів коліс (рисунок

4.5) є ультразвукова обробка мастильної рідини (МОР), яка дозволяє

зменшити розмір частки розпорошеною МОР; сприяє звукокапілярному

ефекту – сприяє глибокому проникненню рідини в капіляри і вузькі щілини,

чим знижується шорсткість і температура поверхні гребеня колеса і рейки,

внаслідок чого зменшується знос і та кількість, що подається МОР,

необхідною для досягнення потрібного ефекту від МОР [24].

Основними перевагами пропонованого способу активації мастила є

економічний ефект, який полягає в зменшенні кількості олії завдяки

ультразвуковій обробці в результаті того, що достатній мастильний ефект

досягається при меншій кількості мастила; зменшується знос в зоні контакту

123

«гребінь колеса - рейка», за рахунок проникнення мастила в найменші

поглиблення колеса; знижується шорсткість поверхні гребеня колеса і рейки

завдяки ультразвуковій обробці мастильної рідини, що в цілому призводить

до зниження зносу контактуючої поверхні; зменшення забруднення

рейкового полотна залишками мастильних матеріалів (миючий ефект).

Використання ультразвукової техніки дозволяє більше, ніж в 2 рази

зменшити інтенсивність зношування порівняно з поданням мастила поливом

(рисунок 4.6) за дослідженнями Кисельова Е.С. В процесі тертя виникає

додаткова мережа капілярних каналів, а накладення ультразвукових коливань

сприяє прискоренню руху олії по капілярах до зони контактної взаємодії,

підвищуючи її мастильні властивості. Збільшення мастильної дії мастила

пов'язане, головним чином, зі зменшенням значення коефіцієнта тертя, а

також зниженням температури в зоні контакту (рисунок 4.7) [24].

З аналізу причин зносу трибосистеми «бандаж колеса - рейка» можна

зробити висновок щодо перспективності дослідження, а також

вдосконалення способу введення в зону контакту мастильного матеріалу і

нові перспективи вдосконалення конструкцій локомотивних

гребнезмащувачів.

Рисунок 4.6 – Вплив способу подачі змащення на силу тертя та інтенсивність

124

зношення

Рисунок 4.7 – Вплив способу подачі змащення на температуру у зоні

контакту «гребінь колесо-рейка»

4.1.4. Розробка способу підвищення зчеплення колеса з рейкою

Розроблено і запатентовано спосіб підвищення зчеплення колеса з

рейкою [111].

Спосіб підвищення зчеплення колеса з рейкою полягає у пропусканні

електричного струму через контакт колеса з рейкою під час рушення

локомотива, що створює додаткову силу електронного вітру та проявляє

себе у вигляді електропластинчатого ефекту, збільшуючи коефіцієнт

зчеплення колеса з рейкою. Поставлена задача досягається тим, що спосіб

підвищення зчеплення колеса з рейкою який характеризується тим, що через

контакт колеса з рейкою пропускають електричний струм, за рахунок

електронно-дислокаційних процесів у контакті «колесо-рейка» створюється

125

сила «електронного вітру» та проявляє себе у вигляді електропластинчатого

ефекту, збільшуючи коефіцієнт зчеплення колеса з рейкою.

Основними перевагами корисної моделі, у порівнянні з відомими

способами, є:

підвищення зчеплення колеса з рейкою, внаслідок створення

струмом у контакті колеса з рейкою електропластинчатого ефекту;

руйнування поверхневого шару у контакті колеса з рейкою,

внаслідок підвищення температури за рахунок руху електронів під

дією електричного струму та передачі імпульсу іонам при

розсіюванні на них електронів провідності;

економічний ефект, що полягає у застосуванні в якості

підвищення зчеплення колеса з рейкою не абразивного матеріалу,

а електричного стуму.

Під час рушення локомотива для підвищення зчеплення колеса з

рейкою через контакт «колесо-рейка» пропускають електричний струм.

Струм – це направлений потік електронів, тобто електрони, які рухаються,

розсіюються на дислокаціях, які являють собою неоднорідність решітки, і

передають їм свій імпульс. Це призводить до появи додаткової сили

«електронного вітру». «Електронний вітер» виникає внаслідок порушення

локальної механічної рівноваги метала в електричному полі і з

перерозподілом імпульсу між електронами провідності й іонними решітками,

механізм переміщення іонів у металі під дією електричного поля є

дифузійним.

Повна сила F, яка діє на окремий іон в металі у зовнішньому

електричному полі Е, складається з компонентів [112]:

F=zE + Fi, (4.4)

де z – власний заряд іона; Е – зовнішнє електричне поле; Fi – сила

«електронного вітру».

Під дією електричного струму зростає градієнт температури, який

впливає на градієнт механічних властивостей та коефіцієнт тертя.

126

Градієнт температури визначається з вираження:

, (4.5)

де – градієнт температури; q0 –питомий тепловий потік.

4.2. Оцінка економічної ефективності використання озонованого

повітряного потоку

Розрахунок очікуваного економічного ефекту виконаний відповідно до

методичних вказівок щодо визначення економічної ефективності від

застосування нової техніки, винаходів та пропозицій на залізничному

транспорті [113].

У загальному випадку річний економічний ефект визначається:

нннннн

бннб

нн

нб

б

нбнб АКЕС

ЕРККЕUU

ЕРЕР

ВВ

КЕСЭ

н

, (4.6)

де 1

б

н

ВВ

- коефіцієнт урахування зростання продуктивності праці

тепловоза, обладнаного системою подачі озонованого

повітряного потоку в контакт «гребінь колеса-рейка», в

порівнянні з базовим;

1

нн

нб

ЕРЕР

- коефіцієнт обліку зміни терміну служби тепловоза,

обладнаного системою подачі озонованого повітряного

потоку в контакт «гребінь колеса-рейка», в порівнянні з

базовим;

0 бн КК - зміна капітальних вкладень у споживача з використанням

тепловоза, обладнаного системою подачі озонованого

повітряного потоку в контакт «гребінь колеса-рейка», грн.;

127

нР - частка відрахувань на реновацію, 03,0нР ;

нЕ - нормативний коефіцієнт економічної ефективності, 15,0нЕ ;

нб СС , - собівартість, відповідно, базового тепловоза і тепловоза,

обладнаного системою подачі озонованого повітряного

потоку в контакт «гребінь колеса-рейка», грн.;

нб КК , - капітальні вкладення в виробничі фонди, відповідно, базового

тепловоза і тепловоза, обладнаного системою подачі

озонованого повітряного потоку в контакт «гребінь колеса-

рейка», грн.;

н,UUб - наведені річні експлуатаційні витрати споживача при

використанні, відповідно до, базового тепловоза і

тепловоза, обладнаного системою подачі озонованого

повітряного потоку в контакт «гребінь колеса-рейка», грн.;

нА - річний випуск тепловозів, обладнаних системою подачі

озонованого повітряного потоку в контакт «гребінь колеса-

рейка», шт.

Ефект від використання проектної системи гребнезмащування

відбувається за рахунок зменшення витрат мастила, шляхом часткової її

заміни озонованим повітряним потоком, який дозволяє на 15% знизити

коефіцієнт тертя в контакті «гребінь колеса-рейка», що знизить інтенсивність

зношування гребенів колісних пар і зменшить кількість мастила, яка

подається в контакт.

Склад статті експлуатаційних витрат тепловоза базового і проектного

показані в таблиці 4.1.

Таблиця 4.1 - Експлуатаційний витрати

Статті витрат Використання

На екіпіровку Необхідно визначення

128

На паливо

На ремонт

На обслуговування і реновацію рухомого

складу

На локомотивні бригади

На обслуговування і амортизацію шляху

На технічне обслуговування і стаціонарні

будови

Не пов'язано з впровадженням

запропонованої системи

використання озонованого

повітряного потоку

Річні витрати на змазування визначаються за формулою:

, (4.7)

де – вартість 1 т мастила, =7847 грн./т.;

– співвідношення витрат в порожньому і вантажному режимах, в

умовах відповідних середньомережевим ω = 0,8 ... 0,83;

– річна витрата мастила, = 200 кг.

Таким чином, річні витрати на мастило базового локомотива

складають:

.

Тоді з урахуванням того, що витрата мастила при використанні

озонованого повітряного потоку зменшується на 15%, виходить, що для

проектного тепловоза річна витрата на мастило складе:

2427,86 грн./рік.

Тобто зниження експлуатаційних витрат за рахунок зменшення

кількості мастила складе:

.

Крім того, ефект від використання озонованого повітряного потоку

досягається за рахунок зниження зносу на 15% гребеня колісної пари.

Економічний ефект отримаємо за рахунок зміни витрат в експлуатації при

русі в кривих ділянках колії радіусів до 850 м, частка яких на залізниці

складає 9,8%. Економія від зниження зносу гребенів в цих умовах на секцію

складе:

129

83,222685,2234815,0103,2143226,010

10 36б1р

1

CSqQ

Сб грн./секція,

де Q1 = 10 - кількість зношених бандажів, які припадають на 106 км

пробігу при використанні звичайної системи гребнезмащування (за даними

ПАТ «Укрзалізниця»);

q = 0,3226 т - маса бандажа;

Сб = 22348,50 грн. - вартість річного утримання бандажа з

урахуванням ПДВ та витрат на обточування бандажів (за рік 7

обточувань за даними ПАТ «Укрзалізниця»);

α1 = 0,15 - відсоток зниження зносу гребенів коліс при

використанні системи подачі озонованого повітря.

Приймаємо, що в експлуатації капітальні вкладення відсутні, тому

конструкція проектної системи не вимагає додаткових пристроїв для

обслуговування і ремонту в порівнянні з базовою.

Очікуваний річний економічний ефект на 1 локомотив складе:

77,2269633,2226844,428СЕ бэксплE грн./лок.·рік,

де n = 2 - кількість секцій проектного локомотива.

Техніко-економічні розрахунки ефективності проектного тепловоза в

виготовленні та експлуатації та їх аналіз свідчать про необхідність

застосування проектної конструкції гребнезмащувача на локомотиві, так як

при невисокій вартості спостерігається істотний економічний ефект

(знижується на 15% знос бандажів колісних пар і рейок, збільшується їх

термін експлуатації, зменшується на 15% витрати мастила). Очікуваний

річний економічний ефект в народному господарстві на один локомотив типу

2ТЕ116 складе 22696,77 грн. / рік.

4.3. Оцінка зниження витрати палива від застосування

електричного струму на рейках вкритих мастилом і вкритих водою

Нормальна, стійка реалізація сили тяги локомотивом неминуче

супроводжується проковзуванням рушійних осей. У міру підвищення сили

130

тяги проковзування пропорційно збільшується. Потім прослизання починає

збільшуватися швидше, ніж сила тяги, і тоді виявляється порушення

стійкості реалізації сили тяги. А при досягненні критичної швидкості

ковзання подальше зростання сили тяги припиняється і починається

боксування. Таким чином, якщо на локомотиві що експлуатується фактичні

швидкості ковзання будуть перевищувати зазначену, це означатиме, що при

роботі локомотива спостерігалися або періодичні пробуксовки окремих осей,

або їх боксування з відповідною втратою енергії. Підвищення швидкості

ковзання пов'язано з різними конструктивними та експлуатаційними

чинниками, умовами взаємодії колеса з рейкою, і наявності забруднень,

таких як відпрацьоване масло, роса. Подача електричного струму в контакт

дозволить очистити від забруднень і, тим самим, знизити швидкість

ковзання.

Для визначення ступеня збільшення витрати палива або електроенергії

через боксування локомотива і зниження витрати палива за рахунок

застосування електричного струму використана методика, представлена в

[114].

Розглянемо деякі окремі експлуатаційні ділянки шляху протяжністю L

= 100 км по якому рухається поїзд масою Q = 2500 т. Якщо в результаті

забруднень (мастило, вода) в процесі руху середня відносна швидкість

ковзання всіх рушійних осей локомотива виявилася на 0,7% більше, ніж

швидкість їх ковзання, відповідна стійкій роботі тепловоза, тоді шлях

ковзання через боксування буде дорівнювати 700 метрів.

Робота А, витрачена тепловозом на тертя в місці контакту коліс з

рейками [89]:

,1000 nfPlА o (4.8)

де l – шлях ковзання рушійних осей через боксування, м;

Po – середнє навантаження від колісної пари на рейки, кН;

f – коефіцієнт тертя ковзання;

n – число осей, що беруть участь в боксуванні.

131

Згідно з вихідними даними (таблиця 4.2) робота сил тертя для

тепловоза 2ТЕ116 дорівнює 180,6 МДж, що відповідає витраті тепла В =

43136 ккал. На виконання цієї роботи тепловоз повинен витратити таку

кількість палива:

кгQ

BGтт

3,161020026,0

431361

(4.9)

Таблиця 4.2 - Вихідні дані для розрахунку по тепловозу 2ТЕ116

Найменування параметра Позначення Значення

Середнє навантаження від колісної пари

на рейки, кН oP 227

Коефіцієнт тертя ковзання f 0,2

Число осей, що беруть участь в

боксування n 6

ККД тепловоза т 0,26

Теплотворна здатність палива, ккал / кг тQ 10200

Витрата натурного палива кг на

експлуатаційний вимірювач (10000 ткм

брутто) b 25

b 25

Загальна витрата палива визначається за формулою (4.1):

кгbQLG 62510000

252500100100000 (4.10)

де b –реальні витрати палива на експлуатаційний вимірювач (10000 ткм

брутто), Q –маса складу, т.

Сумарні витрати палива на даній ділянці складе:

кгGGG 3,6416253,1601

132

Згідно проведених експериментальних досліджень подача

електричного струму на замаслені рейки дозволяє знизити швидкість

ковзання в 2 рази, відповідно, шлях ковзання через боксування буде

зменшений до 350 метрів. За формулою (4.1) робота, витрачена на тертя в

контакті складе:

,3,90100062,0215350 МДжА

що відповідає витраті тепла У = 21568 ккал. На виконання цієї роботи

тепловоз повинен витратити таку кількість палива:

кгG 1,81020026,0

215682

(4.11)

Порівнюючи витрати палива викликані боксуванням тепловоза через

забруднення поверхонь рейок, зі зменшеним за рахунок подачі електричного

струму витратою G2, отримуємо, що витрата палива знизиться на:

%3,13.641

1001,810021

G

G

Подача електричного струму на рейки вкриті водою дозволяє знизити

швидкість ковзання в 2,14 рази, відповідно, шлях ковзання через боксування

буде зменшений до 326 метрів. За формулою (4.1) робота, витрачена на тертя

в контакті складе:

,1,84100062,0215326 МДжА

що відповідає витраті тепла В = 20089 ккал. На виконання цієї роботи

тепловоз повинен витратити таку кількість паливао:

133

кгG 58,71020026,0

200893

(4.5)

Порівнюючи витрати палива викликані боксуванням тепловоза через

забруднення поверхонь рейок, зі зменшеним за рахунок подачі електричного

струму витратою G3, отримуємо, що витрата палива знизиться на:

%18,13.64110058,71003

2

G

G

В експлуатації є ділянки або навіть цілі напрямки, де при роботі

локомотива може виявлятися істотно великий надлишок відносного ковзання

рушійних осей в порівнянні з величиною, прийнятою в розрахунках. В цьому

випадку додаткові витрати енергії на роботу сил тертя в контакті коліс з

рейками, природно зростає.

Таким чином, додаткові витрати палива або електроенергії

локомотивами через боксування можуть становити значну частку від

загальної витрати на переміщення поїздів. Ці витрати будуть залежати від

особливостей конструкції локомотива, а також від реальних умов

експлуатації, що визначають фактичне число і тривалість боксування

рушійних осей.

Звідси випливає, що поліпшення зчіпних якостей локомотива, що

досягається за рахунок використання в локомотиві найбільш ефективних

засобів, які припиняють розвиток боксування, наприклад подача

електричного струму в контакт дозволяє не тільки забезпечити стійку роботу

з поїздами підвищеної маси, але і домогтися скорочення витрати палива або

електроенергії. Застосування запропонованого способу підвищення зчеплення

за рахунок подачі в контакт колеса з рейкою електричного струму дозволяє

знизити витрату палива для тепловозів серії 2ТЕ116 на рейках вкритих

мастилом на 1,3%, на рейках вкритих водою – на 1,18%.

134

135

Висновки по четвертому розділу

1. Очікуваний економічний ефект від використання озонованого

повітряного потоку у контакті «гребінь колеса-рейка» складе

22696,77 грн./(локомотив протягом року).

2. Використання електричного струму в контакті колеса з рейкою

дозволить зменшити ковзання, відповідно шлях ковзання через боксування

на ділянці буде також зменшений. Це свідчить про те, що локомотив виконує

меншу роботу на тій же ділянці шляху та витрачає менше палива для її

виконання. На ділянці в 100 км для тепловоза 2ТЕ116У витрата палива

зменшується на 1,3 %, якщо рейка замаслена та на 1,18 % - якщо вкрита

водою.

3. Запропонований ряд конструкцій, що використовують методи

активації МОР, дозволяє перейти на принципово новий рівень лубрикації

трибосистеми «бандаж колеса - рейка». Найбільш перспективною, на наш

погляд, являється активація МОР озонуванням та іонізацією, що

забезпечується за рахунок використання енергії гальмування тепловоза на

озонування.

136

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота містить отримані автором результати, які

вирішують актуальне науково-технічне завдання поліпшення трибологічних

характеристик двоточкового контакту «колесо-рейка» шляхом подачі

озонованого повітряного потоку у контакт «гребінь колеса-рейка» та вплив

електричного струму на трибоконтакт колеса та рейки. На основі

проведеного теоретичного і експериментального дослідження зроблено

наступні висновки.

1. Проаналізовано світовий досвід методів підвищення коефіцієнта

зчеплення та зниження зношення колісних пар, доповнено їх класифікацію

новими та перспективними методами, визначено переваги та недоліки.

2. З використанням інтелектуального методу підтримки прийняття

рішень у вигляді експертного оцінювання, визначені перспективні методи

підвищення коефіцієнта зчеплення та зниження зносу гребеня колеса. В

трійку найбільш перспективних методів підвищення коефіцієнта зчеплення

колеса з рейкою входить спосіб пропускання електричного струму через

контактну зону, а в трійку найбільш перспективних методів зниження зносу

гребеня колеса – метод подачі озонованого повітряного потоку у

трибоконтакт.

3. Теоретично обґрунтовано використання електричного струму для

підвищення зчеплення на доріжці кочення у контакті «колесо-рейка» та

використання озонованого повітряного потоку, як метода зниження

зношення у контакті «гребінь колеса-рейка». Результати математичного

моделювання впливу озонованого повітряного потоку на металевий контакт,

при різних температурних режимах, свідчать про збільшення величини

енергії активації поверхонь озоном в залежності від концентрації майже у 3,5

рази, при цьому проникність озону в глибину металу збільшується майже у 2

рази.

137

4. Створено експериментальне устаткування для подачі озонованого

повітряного потоку з можливістю зміни параметрів подачі та пропуску

електричного струму та зміною його величини струму у трибоконтакті.

Проведено модернізацію стендової установки «Машина тертя», що

дозволило дослідити процеси взаємодії системи «колесо-рейка» при різних

фрикційних параметрах.

5. За результатами планування експерименту складено рівняння

регресії залежності граничного коефіцієнта тертя при внесенні у контакт

додаткової енергії, яка забезпечується електричним струмом та його

щільністю, і озонованим повітряним потоком, який характеризується

концентрацією озону і швидкістю його подачі, при роздільному і спільному

впливі, а також різних умовах контактування (чиста рейка, рейка, вкрита

водою, рейка, вкрита мастилом).

6. При експериментальній перевірці доцільності використання

пропонованих методів поліпшення триботехнічних характеристик

двоточкового контакту «колесо-рейка» на створеному та модернізованому

стендовому обладнанні отримані залежності коефіцієнта зчеплення при

різному фрикційному стані поверхонь, що взаємодіють.

7. Теоретично та експериментально оцінено величину електричного

зносу при подачі електричного струму в залежності від сили струму та

навантаження коліс. Встановлено, що електричний знос переважає при малих

навантаженнях (до 1000 Н), та при їх збільшенні (понад 1000 Н)величина

електричного зносу зменшується. Експериментально встановлено, що знос

від впливу піску до12 разів перевищує знос від впливу електричного струму.

Розбіжність теоретичних та експериментальних результатів становить не

більше 10%.

8. Експериментально оцінено величину перехідного опору при

різному фрикційному стані трибоконтакту, що якісно дозволяє оцінити

підвищення температури в зоні контакту. Найбільша величина перехідного

опору спостерігається при наявності кварцового піску на поверхні рейки (0,3-

138

0,11 Ом в залежності від навантаження), а найменша – на сухій рейці (0,02

Ом) та на рейці, вкритій змащенням (0,01 Ом).

9. Використання електричного струму в контакті колеса з рейкою

дозволить зменшити ковзання, що свідчить про те, що локомотив виконує

меншу роботу на ті же ділянці шляху та витрачає менше палива. Тобто для

тепловоза 2ТЕ116У на ділянці в 100 км витрати палива буде зменшено на

1,3% якщо рейка замаслена та на 1,8% - якщо вкрита водою.

139

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1 Ноженко В.С. Экспериментальные исследования влияния озона на

фрикционную пару «ролик-рельс» / В.С. Ноженко. // Вісник СНУ ім. В. Даля.

– Луганськ, 2011. – № 4 (193). – С. 187-191.

2 Горбунов Н.И. Пути решения проблемы повышения тягово-сцепных

и динамических качеств локомотивов / Н.И. Горбунов, Е.А. Кравченко, В.А.

Левандовский, В.И. Нестеренко, М.В. Ковтанец, В.С. Ноженко //

Международный информационный научно-технический журнал

«Локомотивинформ», 2010 – №5. – С. 38-41.

3 Голубенко А.Л. Повышение сцепных качеств локомотивов

управлением фрикционным взаимодействием «колесо-рельс» / А.Л.

Голубенко, Н.И. Горбунов, М.В. Ковтанец, В.С. Ноженко, И.А. Цыгановский,

В.В. Чмелёв // Вісник СНУ ім. В. Даля. – Луганськ, 2010. – Ч.1. № 5(147). – С.

7–14.

4 Горбунов Н.И. Управление фрикционным взаимодействием в

двухточечном контакте «колесо-рельс» / Н.И. Горбунов, В.С. Ноженко, Е.А.

Гаркушин, Н.М. Найш // Вісник СНУ ім. В. Даля. – Луганськ, 2011. – №6

(160). – С. 216-223.

5 Горбунов Н.И. Инновационные риски внедрения перспективных

технических решений на транспорте / Н.И. Горбунов, В.С. Ноженко, Е.С.

Ноженко и др. // Вісник СНУ ім. В. Даля. – Луганськ, 2014. – №3(210). –

С. 68–72.

6 Голубенко А.Л. Экспериментальные исследования фрикционных

свойств контакта «колесо-рельс» / А.Л. Голубенко, А.И. Костюкевич, Е.А.

Кравченко, С.В. Попов, В.С. Ноженко, М.В. Ковтанец // Вісник СНУ ім. В.

Даля. – Луганськ, 2010. – С. 14-20.

7 Горбунов Н.И. Методика проведения экспериментальных

исследований на автоматизированную измерительно-модернизированную

стендовую установку / Н.И. Горбунов, А.И. Костюкевич, В.С. Ноженко, М.В.

140

Ковтанец, И.А. Цыгановский // Науково-практичний журнал «Залізничний

транспорт України», 2012. – № 2. – С. 9-13.

8 Сапронова С.Ю. Исследования влияния электрического тока на износ

трибосопряжения «ролик-ролик» / С.Ю. Сапронова, В.С. Ноженко, Е.С.

Ноженко, А.С. Клюев, Д.А. Мокроусов. // Вісник СНУ ім. В. Даля, 2013. –

№ 18 (207). Ч. 1. – С. 152-157.

9 Nozhenko V. Experimental measurement complex running gear for

research and of interaction conditions rolling stock / V. Nozhenko, N. Gorbunov,

S. Mokroysov, V. Chernikov, M. Kovtanez, R. Demin // Commission of

Motorization and Power Industry in Agriculture “ТЕКА”– Lublin, 2012. –

Volume 12, №4. – P. 190–195.

10 Ноженко Е.С. Совершенствование конструкций гребнесмазывателей

подвижного состава / Е.С. Ноженко, В.С. Ноженко, В.Д. Черников, А.А.

Малохатко, А.А. Луценко, Г.П. Тихонюк, М.А. Крысанов // Вісник СНУ ім.

В. Даля. – Луганськ, 2009. – Ч. 2. №4 (134). – С. 29–34.

11 Golubenko А. Two-point wheel-rail contact investigation / A.

Golubenko, A. Kostyukevich, I. Tsyganovskiy. V. Nozhenko // Int. Sci. J.

“Тransport Рroblems”. – Gliwice, 2011. – Volume 6, №3. – P. 115 – 123.

12 Голубенко А.Л. Сцепление колеса с рельсом / А.Л. Голубенко. - 2е

изд. доп. и перераб. – Луганск, 1999. – 476 с.

13 Ляпушкин Н.Н. Теоретические основы взаимодействия колеса

локомотива с рельсом в нано диапазон: дис. … д. т. н.: 05.16.01 / Н.Н.

Ляпушкин. – Москва, 2008. – 252 с.

14 Bowden F.P. The Physics of rubbing surface / F.P. Bowden // Proc. Roy.

Soc.,1944. –V.78.

15 Adirovich E., Blokhinzev. On the forces of dry friction / E. Adirovich //

Journal of Physics, 1943. – Vol.7. – P. 29-36.

141

16 Андронов В.В., Журавлев В.Ф. Сухое трение в задачах механики /

В.В. Андронов, В.Ф. Журавлев. – М. Ижевск: НИЦ «Регулярная и

хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2010. – 184с.

17 Крагельский И.В. Трение и износ / И.В. Крагельский, Машгиз, 1968.

– 480 с.

18 Костецкий И. В., Щедров В. С. Развитие науки о трение / И. В.

Костецкий, В.С. Щедров, М.: Изд-во АН СССР, 1956.

19. Минов Д.К. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов

с электрической передачей / Д.К. Минов. – М.: Транспорт, 1965. – 267 с.

20. Меншутин Н.Н. Зависимость между силой сцепления и скоростью

скольжения колесной пары локомотив / Н.Н. Меншутин // Вестник

ВНИИЖТ, 1960. – №7. – С. 12-14.

21. Лисунов В.Н. Тяговое обеспечение поездов повышенного веса /

В.Н. Лисунов. – Железнодорожный транспорт, 1980. – № 4.

22. Вербек Г. Современное представление о сцеплении и его

использовании / Г. Вербек // Железные дороги мира, 1974. – №4. – С. 23-53.

23. Костюкевич А.И. Численная и экспериментальная идентификация

процесса сцепления колес локомотива с рельсами: дис. … к. т. н.: 05.22.07 /

А.И. Костюкевич. – Луганск, 1991. – 232 с.

24 Хлебников В.Н. Исследование способов увеличения коэффициента

сцепления колес с рельсами / В.Н. Хлебников // Железнодорожный транспорт

за рубежом. – М.: ЦНИИТЭИ МПС, 1976. – №4(174). – С. 18-34.

25 А.с. № 712296 СССР, М.кл. В61С15/10, Е01Н8/10, В60В39/00.

Способ для увеличения сцепления колеса с рельсом / Р.С. Бендиткис,

Н.Н. Ляпушкин, Н.А. Панькин, И.Т. Макаренко, А.А. Кирста,

С.Т. Дубовский, Л.А. Ляпушкина, П.Г. Меньшиков; заявл. 12.10.78; опубл.

30.01.80, Бюл. № 4. – 4 с.

26 Доббс Д. Плазменная горелка применима при низких скоростях

движения / Доббс Д. – Железнодорожный журнал, 1969. – № 7.

142

27 Пат. 2006108991 А Российская Федерация, МПК E01H8/10 /

ХИГГИНЗ Малкольм – № 2002114357, заявл. 31.05.2002; опубл. 20.10.2007,

Бюл. № 4. – 1 с.

28 А.с. № 943053 СССР, М.кл. В61С15/10. Способ повышения

сцепления колес железнодорожного транспортного средства с рельсами /

Ю.М. Лужнов, В.А. Попов, В.А. Пыпаев; заявл. 24.11.80; опубл. 15.07.82,

Бюл. № 26. – 4 с.

29. Богданов В. М., Захаров С. М. Проблемы взаимодействия в системе

колесо —рельс. / В. М. Богданов, С. М. Захаров // ЖДМ 08, 2010. – С. 71-74.

30 InnoTrans 2008 – крупнейшая выставка железнодорожной техники.

Часть II / Железные дороги мира, 2008. – № 11. – С. 12-13.

31 Патент на корисну модель № 52361, кл B61C 15/00 Пристрій для

запобігання боксовання коліс локомотива / М.І. Горбунов, К.О. Кравченко,

М.В. Ковтанець, С.В. Попов, О.С. Ноженко; заявник і патентовласник СНУ

ім. В.Даля. – № u201001732; заявл. 18.02.2010; опубл. 25.08.2010, Бюл. № 16.

– 6 с.

32 Лужнов Ю.М. Модель фрикционного контакта колеса с рельсом и

возможности управления его свойствами / Ю.М. Лужнов, В.А. Попов, Г.М.

Седов // Вестник ВНИИЖТ, 2009. – Вып. №1. – С. 30 – 32.

33 Бугаенко В.В. Улучшение тягово-экономичных характеристик

локомотивов путем повышения коэффициента полезного действия системы

подачи песка: автореф. дис. к.т.н.: 05.22.07 / В.В. Бугаенко;

Восточноукраинский национальный университет имени В. Даля. – Луганск,

2010. – С. 25.

34 Ноженко Е.С. Повышение энергетической эффективности тепловоза

активацией рабочих сред: дисс… канд. техн. наук: 05.22.07 / Е.С. Ноженко. –

Луганск, 2010. – 207 с.

35 Кравченко Е.А., Ноженко В.С., Крысанов М.А. Вопрос

энергосбережения и эффективности использования тяговых усилий

143

локомотива // Екологічні проблеми природокористування та ефективне

енергозбереження: Зб. тез Міжнародна наук.-практ. конф. молодих вчених і

студентів (Київ, 27-29 квітня 2010 р.). – Київ: КНУБА, 2010. – С. 84 – 87.

36 Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Улашкин А.П. Комплексный параметр для

оценки состояния поверхности трения / Э.В. Рыжов, А.Г. Суслов, А.П.

Улашкин // Трение и износ. – 1980. – Т.1. – № 3. – С.436-439.

37. Горбунов Н.И. Теория и практическая реализация системного

подхода при создании экипажной части локомотива: дис. … д. т. н.: 05.22.07 /

Н.И. Горбунов; ВНУ В. Даля. – Луганск, 2006. – 437 с.

38. Здор А.П. Применение методов ранговой корреляции для анализа

надежности тепловозов / А.П. Здор, Л.П. Устюгов, Т.В. Ставров, И.П.

Колюбин, А.С. Гурьевский. – ОмИИТ: Деп. N 3875. – 16 с.

39. Горбунов Н.И. О методах подготовки к принятию технического

решения / Н.И. Горбунов, А.И. Костюкевич, А.Л. Кашура, Ю.Г. Вивденко //

Збірник наукових праць СДУ, 1998. – С. 47-53.

40 Rebinder P. A., Likhtman V. I.: Effect of Surfase-Active media on

straints and Rupture in Solids. Proceedings of the Second International Congress

on Surfase Activity, London, N.3, 1957, pp. 563-580.

41 Roscoe R.: The Plastic Deformation of crystals. Phil. Mag.,vol. 21, 1926,

pp. 399-406.

42 Дубинин А. Д. Энергетика трения и износа деталей машин,

Машгиз.: М., 1963, 136.

43 Чекалова ЕЛ., Гурин В.Д., Власов В.И. Механическая обработка с

использованием озонированной среды // Технология машиностроения. 2004.

№ 5. С. 22-24.

44 Чекалова Е.А., Власов В.И. Повышение эффективности

быстрорежущего инструмента путем применения ионизированного воздуха:

Сб. трудов Международной конференции "Производство, технология,

экология - 2003". Москва. МГТУ "Станки", 2003. С. 666-667.

144

45 Вобликова В.А. и др. Влияние охлаждения электродов на синтез

озона в озонаторах различных систем «диэлектрик – диэлектрик»,

«диэлектрик – металл» / В.А. Вобликова и др. // Вестник МГУ. Серия 2,

Химия. – 1993. Т. 34, №4. – С. 367 – 370.

46 Чекалова Е.Л., Гурин В.Д., Власов В.И. Механическая обработка с

использованием озонированной среды // Технология машиностроения. 2004.

№ 5. С. 22-24.

47 Физические величины: Справочник/ А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина,

А.М. Братковский и др.; Под ред И.С. Григорьева, Е.З. Михайлова. – М.:

Энергоатомиздат, 1991. – 123с.

48 Ахметзянов И.Д., Бедункевич В.В, Верещагин И.П. Ильин В.И.

Использование электронно-ионной технологии для повышения эффективной

обработки резанием. // Материалы семинара «электрокаплеструйная

технология и реализация программы «Интенсификация-90». Ленинград.

1989. С. 43-47.

49 Lamada T., Lido M. Cooling mrthod by use of corona discharge. – Pat.

USA, Cl, 62-3 (F25b21/02), №3938345.

50 Гордиенко П. Л., Гордиенко С. Л. О влиянии электрического тока на

износ при трении металлических тел «Вестник машиностроения» №7, 1952.

51 Френкел. Я. И. Введение в теорию металлов. Госиздат техн.- теорет.

лит., 1950.

52 Бобровский А. В. Влияние термоэлектрических токов на износ

инструмента при резании металлов/ В. А. Бобровский // Электрические

явления при резании и трении металлов. – М, 1969. – С. 7-26.

53 Троицкий О. А. Электропластический эффект в металлах/ О. А.

Троицкий, А.Г. Розно. // ФГТ, 1970. – Т12. – Вып.1.- С.203-2210.

54 Основы трибологии (трение, износ. смазка): учебн. Для технических

вузов. 2е изд. Перераб, и доп./ А. В. Чичинадзе, Э. Д.. Браун, Н. А. Буше и др.

– М.: Машиностроение, 2001. – 664с.

145

55 Воробьев Д. В. Улучшение фрикционных характеристик пары

трения колесо-рельс за счет воздействия на контакт электрического тока и

магнитного поля: Автореф. Дис. … канд. техн. Наук., Брянск, 2005. - 21 с.

56 Основі трибологии (трение, износ, смазка) / А.В. Чичинадзе, Э.Д.

Берлинер, Э.Д. Браун и др. / под ред. А.В. Чичинадзе: учебник для

технических вузов. М: «Машиностроение», 2001. 664с.

57 Хольм Р. Электрические контакты / Р. Хольм: - М, 1961. – 464с.

58 Петраков Д. И. Оценка тяговых качеств тепловозов с

элктропередачей с учетом воздействия электрического тока на зоны котакта

колес с рельсами: Автореф. Дис. … канд. техн. наук., Брянск, 2013. - 23 с.

59 Матлахов В.П. Повышение износостойкости цилиндрических

поверхностей трения на основе сочетания методов нанесения нитрид-

титановых покрытий и електромеханической обработки. / В.П. Матлахов //

Вестн. БГТУ. - 2008.- №2(18).- C. 32-38.

60 Комельков В. А. Повышение работоспособности быстрорежущего

инструмента путем применения ионизированного воздуха с включением

микродоз масла И-20А: Автореф. Дис. … канд. техн. наук., Иваново, 2006. -

19 с.

61. Долганов А.Н. Теоретическое и экспериментальное исследование

тяговых качеств тепловоза ТЭ10: автореф.дис. … к.т.н.: 05.22.07 / А.Н.

Долганов. – М.: – 1969. – 23 с.

62. Яковлев В.Ф. Исследование взаимодействия, деформаций и

напряжений в зоне контакта железнодорожных колес и рельсов: автореф.дис.

… д. т.н.: 05.22.07 / В.Ф. Яковлев. – Л.: 1964. – 31 с.

63. Голубенко А.Л. Алгоритм решения контактной задачи при

произвольном расположении колесной пары относительно рельсовой колеи /

А.Л. Голубенко, А.И. Костюкевич // Конструирование и производство

транспорт. машин. – Харьков, 1989. – Вып. 21. – С. 33 – 37.

146

64 Костюкевич А.И. Численная и экспериментальная идентификация

процесса сцепления колес локомотива с рельсами: автореф. дис. … к.т.н. :

05.22.07 / А.И. Костюкевич. – Луганс: ВМИ, 1991. – 14 с.

65. Языков В.Н. Применение модели негерцевого контакта колеса с

рельсом для оценки динамических качеств грузового тепловоза: автореф.

дис. … к.т.н.: 05.22.07 / В.Н. Языков. – Брянск: – 2004. – 19 с.

66. Коровчинский М.В. Местный упругий контакт при «близком»

касании сжимаемых тел / М.В. Коровчинский //Машиноведение, 1981. – №5.

– С. 71 – 79.

67. Френкель Э.М. К вопросу о сцеплении колеса с рельсом / Э.М.

Френкель // Науч. труды Харьк. ин-т инж. ж.д. транспорта. – М.: 1953. – Вып.

23. – С. 106 – 112.

68. Кашура А.Л. Оценка тягово-сцепных качеств локомотивов на

стадии проектирования и модернизации с учетом динамических

особенностей их движения по рельсовому пути: автореф. дис. … к.т.н.:

05.22.07 / А.Л. Кашура. – Луганск: – 1995. – 23 с.

69 Моделирование трения и изнашивания в машинах [Текст] /

Э.Д.Браун и др. – М.: Машиностроение, 1982. – 191 с

70 Электрический износ в паре трения токоприемник - контактный

провод / ЖДМ, 2007. - №5 – С. 43-49.

71 Исаев И.П. Совершенствование экспериментальных исследований

сцепления колеса локомотива с рельсом / И.П. Исаев, А.Л. Голубенко //

Железные дороги мира. – 1988. - № 10. – С. 2 – 10.

72 Буханченко С.Е. Автоматизированный комплекс для

триботехнических испытаний конструкционных материалов и смазочных

средств в статическом и динамическом режимах: автореф. дис. … к.т.н.:

01.02.06 / С.Е. Буханченко. – Томск: Томский политехнический университет,

2005. – 20 с.

147

73 Прудников М.И. Разработка нормализованного метода и

автоматизированной системы испытаний на машинах трения: автореф. дис.

… к.т.н.: 05.02.04. / М.И. Прудников – Брянск: Брянский государственный

технический университет, 2009. – 20с.

74 Горбунов Н.И. Экспериментальное исследование сцепления колеса с

рельсом на испытательно-измерительном комплексе / Н.И. Горбунов, Е.А.

Кравченко, Ю.Ю. Осенин, В.Д. Черников, М.А. Крысанов, Л.А. Слюсарева,

А.А. Малохатко // Вісник Східноукраїнського Національного Університету

імені Володимира Даля. 2008. - Луганськ: Видавництво СНУ ім. В. Даля,

2008. - Частина 1. №5 (123) – С. 18 – 23.

75 Деклараційний патент на корисну модель №7108U. Стенд для

дослідження плями контакту в системі «колесо–рейка». // Горбунов М.І.,

Кашура О.Л., Попов С.В., Міхєєв О.С. - Бюл. №6, 2005.

76 Деклараційний патент на корисну модель № 65999. Машина тертя

для визначення фрикційних властивостей контакту «колесо-рейка» /

О.І. Костюкевич, М.І. Горбунов, М.В. Ковтанець, В.С. Ноженко,

В.Д. Черніков, І.О. Цигановський - Бюл. № 24 від 26.12.2011.

77 Костюкевич А.И. Автоматизированная измерительно-

моделирующая стендовая установка «машина трения» для исследования

фрикционных свойств контакта «колесо-рельс» /А.И. Костюкевич,

Н.И. Горбунов, Е.А. Кравченко, С.В. Попов, В.С. Ноженко,

М.В. Ковтанец//Сб. научных трудов X Междун. конф. “ТРИБОЛОГИЯ и

НАДЕЖНОСТЬ” (27–30 октября 2010 г., Санкт-Петербург, Россия) – Санкт-

Петербург, 2010. – С. 165 – 174.

78. Горбунов Н.И. Методика проведения экспериментальных

исследований на автоматизированную измерительно-модернизированную

стендовую установку / Н.И. Горбунов, А.И. Костюкевич, В.С. Ноженко, М.В

Ковтанец, И.А. Цыгановский. // Науково-практичний журнал Залізничний

транспорт України. - № 2, 2012. - С. 9 - 13.

148

79. Костюкевич А.И. Автоматизированная измерительно-

моделирующая стендовая установка «машина трения» для исследования

фрикционных свойств контакта «колесо-рельс» / А.И. Костюкевич, Н.И.

Горбунов, Е.А. Кравченко, С.В. Попов, В.С. Ноженко, М.В. Ковтанец //

Сборник научных трудов X Международной конференции “ТРИБОЛОГИЯ и

НАДЕЖНОСТЬ” (27–30 октября 2010 г., г. Санкт-Петербург, Россия) – 2010.

– С. 165 – 174.

80. Деклараційний патент України на корисну модель №65999

Машина тертя для вивчення фрикційних властивостей контакту «колесо-

рейка» / О.І. Костюкевич, М.І. Горбунов, М.В. Ковтанець, В.С. Ноженко, В.Д.

Черніков, І.О. Цигановский – опубл. 26.12.2011, бюл. № 24.

81 Ноженко В.С. Управление фрикционным взаимодействием в

двухточечном трибоконтакте «колесо-рельс» / В.С. Ноженко, Е.С. Ноженко,

А.С. Клюев, Е.А. Гаркушин. // Вісник СНУ ім. В. Даля. - № 5(176), ч.1, 2012,

- С. 103 - 108.

82. Лунин В.В. Физическая химия озона. / В.В. Лунин,

М.П. Попович, С.Н. Ткаченко – М.: Изд-во МГУ, 1998. – 480 с.

83. Горбунов Н.И. Управление фрикционным взаимодействием в

двухточечном контакте «колесо-рельс» / Н.И. Горбунов, В.С. Ноженко, Е.А.

Гаркушин, Н.М. Найш // Вісник СНУ ім. В. Даля. - №6 (160), 2011. - С. 216 -

223.

84 Горбунов Н.И., Ковтанец М.В., Горбунов Н.Н., Ноженко В.С.,

Кравченко Е.А. Обеспечение безопасности эксплуатации железнодорожных

транспортных средств созданием инновационных решений песочной

системы локомотива. Наукові вісті Далівського університету. Технічні науки.

Електронне наукове фахове видання. №3, 2011.

85. Горбунов Н.И. Методика проведения экспериментальных

исследований на автоматизированную измерительно-модернизированную

стендовую установку / Н.И. Горбунов, А.И. Костюкевич, В.С. Ноженко, М.В

149

Ковтанец, И.А. Цыгановский. // Науково-практичний журнал Залізничний

транспорт України. - № 2, 2012. - С. 9 - 13.

86. Костюкевич А.И. Автоматизированная измерительно-

моделирующая стендовая установка «машина трения» для исследования

фрикционных свойств контакта «колесо-рельс» / А.И. Костюкевич, Н.И.

Горбунов, Е.А. Кравченко, С.В. Попов, В.С. Ноженко, М.В. Ковтанец //

Сборник научных трудов X Международной конференции “ТРИБОЛОГИЯ и

НАДЕЖНОСТЬ” (27–30 октября 2010 г., г. Санкт-Петербург, Россия) – 2010.

– С. 165 – 174.

87. Деклараційний патент України на корисну модель №65999

Машина тертя для вивчення фрикційних властивостей контакту «колесо-

рейка» / О.І. Костюкевич, М.І. Горбунов, М.В. Ковтанець, В.С. Ноженко, В.Д.

Черніков, І.О. Цигановский – опубл. 26.12.2011, бюл. № 24.

88 G.H. Jilbert, J.E. Field Synergistic effects of rain and sand erosion, PCS,

Wear 243 (2000), p. 6-17.

89. Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безызносность): Учебник. -

4-е изд., перераб. и доп. - М.: «Издательство МСХА», 2001. 616с., ил. 280.

90 Инновации в промышленности. Справочник экономиста. К.: 2004.-

№2.-94с.

91 Христиановский В. В., Щербина В. П. Экономический риск и

методы его измерения. Донецк ДонНУ, 2000.-197 с.

92 Бузько І.Р., Вартанова О.В., Голубенко Г.О. Стратегічне управління

інвестиціями та інноваційна діяльність підприємства. Монографія. –

Луганськ: вид-во СНУ ім. В. Даля, 2002. – 176с.

93 Елохин А.Н. Анализ и управление риском: Теория и практика. – 2-е

изд. —М.: ООО «ПолиМЕдиа», 2002. Елохин А.Н. Анализ и управление

риском: Теория и практика. – 2-е изд. —М.: ООО «ПолиМЕдиа», 2002.

Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогноз

будущего. — М.: Едиториал УРСС, 2003.

150

94 Энергетическое обследование: справочное издание. Екатеринбург:

УрФУ, 2011. 243 с. Я.М. Щелоков, Н.И. Данилов.

95 Колтынюк Б.А. Инвестиции. Учебник. - СПб.: Изд-во Михайлова

В.А. 2003. - 848 с.

96 Голубенко А.Л. Повышение сцепных качеств локомотивов

управлением фрикционным взаимодействием «колесо-рельс» / А.Л.

Голубенко, Н.И. Горбунов, М.В. Ковтанец, В.С. Ноженко, И.А. Цыгановский,

В.В. Чмелёв // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В.

Даля. – Луганськ: СНУ ім. В. Даля. Частина 1. 2010 – № 5(147),– С. 7 – 14.

97 Ноженко В.С. Управление фрикционным взаимодействием в

двухточечном трибоконтакте «колесо-рельс» / В.С. Ноженко, Е.С. Ноженко,

А.С. Клюев, Е.А. Гаркушин. // Вісник СНУ ім. В. Даля. - № 5(176), ч.1, 2012,

- С. 103 - 108.

98 Зорин В.И. Современные системы обеспечения безопасности// Ж.д.

мира. 2000. № 11. С. 52 – 54.

99 Астрахан В.И. Унифицированное комплексное локомотивное

устройство безопасности (КЛУБ-У). 2007.-177с.ПП.

100 Венцевич Л.Е. Локомотивные скоростемеры и расшифровка

скоростемерных и диаграммных лент, Изд. УМК МПС. 2002.

101 Справочник по триботехнике. Под редакцией М. Хебді и А.В.

Чичинадзе. М: Машиностроение. Т.1, 1989 400с. Т.3, 1992. 730 с.

102 Рыжкин А.А., Шучев К.Г., Филипчук А.И., Климов М.М.

Взаимосвязь характеристик теплового поля пары трения с интенсивностью

изнашивания // Трение и износ. 1985. Т.6. №1. с. 153-157.

103 Желев Ж.Д. Влияние изменения осевой нагрузки и геометрии

бандажа локомотива на коэффициент сцепления.: Дис. канд. техн. наук –М.,

1977.-204с.

104. Ноженко Е.С. Совершенствование конструкций

гребнесмазывателей подвижного состава / Е.С. Ноженко, В.С. Ноженко, В.Д.

151

Черников, А.А. Малохатко, А.А. Луценко, Г.П. Тихонюк, М.А. Крысанов //

Весник ВНУ им. В.Даля. – 2009. ч.2. - №4 (134). – с. 29 – 34.

105. Патент України №90941 на винахід Пристрій для змащування

гребенів коліс / Горбунов М.І., Могила В.І., Ноженко О.С., Кравченко К.О.,

Найш Н.М., Черніков В.Д. – опубл. 10.06.2010, бюл. № 11.

106. Патент України №48482 на корисну модель Пристрій для

змащування гребенів коліс / Горбунов М.І., Могила В.І., Ноженко О.С,

Ноженко В.С., Кравченко К.О., Чмельов В.В. – опубл. 25.03.2010, бюл. № 6.

107 Патент України №48484 на корисну модель Пристрій для

змащування гребенів коліс рейкового транспортного засобу / Горбунов М.І.,

Могила В.І., Ноженко О.С., Кравченко К.О., Попов С.В., Крисанов М.А. –

опубл. 25.03.2010, бюл. № 6.

108 Патент України №46425 на корисну модель Пристрій для

змащування гребенів коліс / Горбунов М.І., Могила В.І., Ноженко О.С.,

Ноженко В.С., Кравченко К.О., Попов С.В. – опубл. 25.12.2010, бюл. № 24

109. Патент України №52325 на корисну модель Пристрій для

змащування гребенів коліс / Горбунов М.І., Басов Г.Г., Омельченко О.П.,

Ноженко О.С., Кравченко К.О., Черніков В.Д., Ноженко В.С., Ковтанець

М.В., Крисанов М.А. – опубл. 25.08.2010, бюл. № 16

110. Горбунов Н.И. Ресурсосберегающие технологии в контакте

«гребень колеса – рельс. / Н.И. Горбунов, Е.С. Ноженко, Д.Н. Марченко и др.

// Вiстник СНУ iм. В. Даля. – 2008, №5, ч.1. – С. 76 – 82.

111 Патент України на корисну модель №59547 Спосіб підвищення

зчеплення колеса з рейкою / Попов С.В., Горбунов М.І., Костюкевич О.І.,

Кашура О.Л., Кравченко К.О., Ноженко О.С., Ковтанець М.В., Ноженко В.С.,

Рамзаєва А.С. – 25.05.2011, бюл. №10.

112 Фикс В.Б. Ионная проводимость в металлах и полупроводниках

(Электроперенос), М., 1989.

152

113 Хаит Э.И. Определение экономической эффективности новой

техники, изобретений и рационализаторских предложений на

железноодрожном транспорте: Методические указания / Э.И. Хаит. – Минск:

Полымя, 1979. - 143с.

114 Развитие локомотивной тяги / Н.А. Фуфрянский, А.Н. Долганов,

А.С. Нестрахов и др. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1988. – 344

с.