Admin

Основы трибосистемы «КОЛЕСО-РЕЛЬС» локомотивов нового поколения

А.С. КОСМОДАМИАНСКИЙ, профессор, д-р техн, наук, Российский университет транспорта (МИИТ),
В.О. КОРЧАГИН, канд. техн, наук, Российский университет транспорта (МИИТ),
В.И. ВОРОБЬЕВ, доцент, канд. техн, наук, Брянский государственный технический университет (БИТМ)

Аннотация. Рассмотрен ряд процессов, протекающих в зоне контакта колеса локомотива с рельсом в условиях воздействия физических полей. Описано влияние поля на стальные пары трения, рассчитаны механические напряжения в зоне контакта колеса с рельсом, определены магнитное напряжение и энергия поля при насыщенном состоянии. Рассчитано распределение электромагнитного поля между колесом и рельсом при различных поперечных положениях колесной пары в рельсовой колее для новых и изношенных профилей. Материал рассчитан на широкий круг работников локомотивного комплекса и других читателей, ориентированных на внедрение новых технологий в области локомотивной и моторвагонной тяги, ССПС и пр.; может быть полезен для читателей, интересующихся основными принципами действия современного железнодорожного транспорта, отличием новых транспортных технологий от старых.

ВВЕДЕНИЕ

Сцепные свойства колеса с рельсом имеют стохастический характер, главным образом зависят от нагрузки и структурно-реологических свойств поверхности. Для читателей, которые только открывают для себя мир железнодорожной техники, напомним — реология, в качестве своего методологического аппарата, задействует инструментарий теории упругости, механики сплошных сред и нередко рассматривается, как ее часть. В качестве простого примера специалисты обычно приводят столкновение на достаточно большой скорости с рядом жидкостей (например, с водой). В этом случае, при скоростях свыше 150 км/ч вода ведет себя не как жидкость, а как твердое тело. При таких столкновениях транспортные средства вначале разбиваются и только потом идут на дно водоемов.
Распространено и обратное явление, когда твердое тело в определенных условиях проявляет свойства других агрегатных состояний, принципиально меняя свои характеристики. Практические приложения реологии описывают поведение конкретных материалов при нагрузках для тел, проявляющих одновременно пластичные (вязкостные) и упругие свойства.
Читатели, обладающие базовыми компетенциями специалистов локомотивного хозяйства, отлично представляют пластическую деформацию достаточно упругих деталей машин. Любой кристалл или агрегат кристаллов при определенных условиях может быть пластически деформирован. Пластическая деформация кристаллов реализуется посредством направленного движения в нем дислокаций и вакансий. Под действием на кристалл внешней силы в объеме кристалла появляются напряжения, которые снимаются дефектами. Благодаря этому между шероховатыми поверхностями изменяется фактическая площадь контакта, изучаемая наукой о взаимодействии твердых деформируемых тел при их относительном перемещении — трибологией.

В процессе контактного взаимодействия колесо с рельсом образуют трибосистему. Триботехника изучает прикладную работу трибосистемы с учетом влияния множества факторов: напряженно-деформированное состояние, очертание поверхностей, состояние окружающей среды, температурное воздействие и др.
Согласно основному закону локомотивной тяги параметр сцепления колеса с рельсом ограничивает тяговую и тормозную силы. Повышение сцепных свойств в паре «колесо локомотива — рельс» основывается на следующих принципах: использование в зоне контакта третьего тела, изменение силы прижатия колеса к рельсу догружением колесной пары и перераспределением осевых нагрузок, распределение между осями тяговых усилий, очистка поверхности катания, изменение профиля колеса и рельса, влияние на условия прохождения криволинейных участков пути, изменение состояния зоны контакта колеса с рельсом воздействием физических полей [1,2].
На сегодняшний день подсыпка песка в зону контакта колеса с рельсом — это самый распространенный способ повышения сцепления. Песок является экологически безопасным и дешевым материалом, однако этому способу присущи недостатки. Возникает потребность в пунктах экипировки песком. Ограничена возможность использования песка на стрелочных переводах, песок способствует загрязнению и снижению электрического сопротивления балласта, повышению износа узлов и деталей из-за абразивного воздействия. Эффективная пескоподача сопряжена с требованиями к объему импульсной подсыпки песка, его гранулометрическому составу и сухости. Инерционность механизма подсыпки песка не позволяет предотвратить срыв сцепления.

Отечественные и зарубежные специалисты-локомотивщики сходятся во мнении, что в основе сцепления колес железнодорожного подвижного состава с рельсами лежит фрикционное взаимодействие, а сцепление существенно зависит от изначальной величины трения. Иными словами, боксование гораздо выгоднее предупредить опережающими воздействиями, чем каждый раз пытаться бороться со свершившимся фактом. Современные пути улучшения механических и эксплуатационных свойств материалов заключаются именно во внешних энергетических воздействиях.
Несомненно, существующее влияние на взаимодействие трибосистемы оказывают применяемые материалы. Свойства материалов определяют ограничения характеристик трибопары (см. ниже). Сочетание последних достижений материаловедения и реологии оказывает существенное влияние на представление о новых горизонтах тяговых возможностей железнодорожной техники.

ВЛИЯНИЕ ПОЛЯ НА СТАЛЬНЫЕ ПАРЫ ТРЕНИЯ

Множество исследований последних десятилетий направлено на решение задач улучшения механических и эксплуатационных свойств материалов посредством привнесенных извне энергетических воздействий. Наряду с пластической деформацией материала, температурной обработкой, обработкой электрическим током, широкое развитие получило электромагнитное и магнитное воздействие [3].
В 1987 г. был открыт магнитопластический эффект. Эффект заключается в инициировании слабым низкоэнергетическим магнитным полем процесса взаимодействия парамагнитных частиц, а также влиянии поля на спиновое состояние системы и химические реакции. Роль магнитного поля заключается в уменьшении силы закрепления дислокаций в материале.
Пропускание магнитного потока между металлами способствует повышению энергии в поверхностных слоях и приконтактных областях, благодаря чему происходит активация электронной структуры материала. Магнитная активация контакта по сравнению с тепловой и механической безинерционна, что позволяет предотвратить скольжение (срыв сцепления).
Улучшение сцепных свойств рельсового подвижного состава благодаря использованию магнитных усилителей сцепления базируется на двух принципах: магнитное догружение и изменение фрикционных свойств пятна контакта колеса с рельсом. Влияние магнитных полей на контакт стальных пар трения повышает коэффициент и силу трения, следовательно, сцепление колеса с рельсом также может быть увеличено. Проведенные исследования показывают, что намагничивание повышает сцепление колеса с рельсом, как минимум, на 11 % [3].

ОСНОВЫ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЕСА С РЕЛЬСОМ

Главная отличительная особенность железнодорожного транспорта заключается в том, что колеса подвижного состава катятся по рельсам. Помимо обычных функций, присущих наземным транспортным средствам (поддержание в вертикальном положении, качение и торможение), железнодорожные колеса выполняют дополнительную функцию — удержание колесной пары в колее при помощи гребня. Как правило, гребневое взаимодействие колеса с рельсом возникает в кривых участках пути достаточно малого радиуса.

Под действием нагрузок происходит деформация материала и формирование пятна контакта на поверхностях колеса и рельса [4, 5]. Пятна контакта располагаются между поверхностями катания, а также между гребнями колеса и внутренними гранями рельса. При конформном гребневом контакте эти пятна контакта могут объединяться в одно. В основном нагрузки передаются через поверхности катания колеса и рельса, пятна контакта находятся под действием нормальных и тангенциальных (касательных тяговых) сил (рис. 1,2).
Расчеты показывают, что тангенциальные напряжения колеса и рельса меняют знак в зоне контакта. Входящие в контакт части колеса и рельса подвержены, соответственно, сжатию и растяжению. Выходящие из контакта части колеса и рельса наоборот — растяжению и сжатию. Это обуславливает образование в передней части контактного пятна зоны сцепления, а в задней — зоны скольжения. Условное обозначение представлено в виде спектра, цветом показана величина механического напряжения. Сжатые волокна материала соответствуют теплым оттенкам, растянутые — холодным.
Расчетная часть основана на методе конечных элементов. Колесо с рельсом разбиваются на отдельные части в форме треугольников и тетраэдров, которые образуют сетку конечных элементов. Сетка конечных элементов аппроксимирует границы расчетной области, размер сетки влияет на точность результатов, увеличение кучности сетки в зоне контакта колеса с рельсом способствует снижению ошибки (рис. 3).

НАМАГНИЧИВАНИЕ ЗОНЫ КОНТАКТА КОЛЕСА С РЕЛЬСОМ

Колесо с рельсом контактируют преимущественно поверхностями катания, поэтому большая часть магнитного потока протекает через верх головки рельса. Особенно это выражено при значительном зазоре между рельсом и гребнем колеса. Профиль колеса шире головки рельса, эта геометрическая особенность способствует тому, что в нормальных условиях эксплуатации силовые линии магнитного поля могут проходить через поверхность катания колеса, поверхностью катания головки рельса и его грани [6,7].
Поскольку между колесом и рельсом поддерживается постоянный ферромагнитный контакт, то можно принять, что весь магнитный поток складывается из потоков, проходящих через поверхность катания и гребень колеса, а потоки рассеяния незначительны. Из-за большого воздушного зазора поток через внешнюю грань колеса можно отнести к потокам рассеяния, внутренние поверхности колес так же мало задействованы в пропускании магнитного потока.


На рис. 4 цветами показана величина индукции магнитного поля в зоне контакта при различных поперечных положениях колесной пары в колее для новых и изношенных профилей [8,9]. Условное обозначение представлено в виде спектра: теплым оттенкам соответствуют значительные значения индукции, холодным — малые. Таким образом, красным цветом показаны насыщенные области магнитной цепи, синим цветом — ненамагниченные области. При намагничивании зоны контакта колеса с рельсом формируется область с индукцией магнитного поля от 1,3 до 1,5 Тл (оранжевый и красный цвета), превышающей индукцию начального насыщения бандажной стали. Именно здесь мы сталкиваемся с ограничениями, обусловленными применяемыми материалами.
Наиболее намагниченным поверхностям колеса и рельса соответствуют участки протекания основной части магнитного потока. При наличии зазора между гребнем колеса и рельсом 98 % магнитного потока протекает через поверхность катания. При двухточечном гребневом контакте от 30 до 40 % магнитного потока переориентируется на поверхности гребня и выкружку. Через пятно контакта колеса с рельсом проходит от 7 до 17 % магнитного потока поверхности катания. При насыщении стали в области контактного пятна концентрируется энергия до 0,03 Дж, намагничивающий поток, пронизывающий пятно контакта, составляет от 0,1 до 0,8 мВб.

Приложение к зоне контакта магнитного напряжения величиной 257 А насыщает контакт колеса с рельсом и приконтактную область. Граница области насыщения с индукцией 1,3 Тл располагается в пределах зазора между колесом и рельсом от 0,1 до 0,2 мм, при этом в эпицентре области насыщения (пятне контакта) индукция достигает величины 1,5 Тл. Таким образом, пятно контакта на поверхности катания перекрывается областью насыщения. При значительных магнитных напряжениях возникает перенасыщенное состояние зоны контакта колеса с рельсом, появляются дополнительные области насыщения (рис. 5).

ВЫВОДЫ

Чтобы эффект влияния магнитного поля на стальные пары трения применить в трибосистеме колесо-рельс, следует подвергнуть намагничиванию микровыступы фактического контакта. Поскольку магнитная восприимчивость у ферромагнитных и парамагнитных веществ одного знака, то вместе с микровыступами фактического контакта намагничиваются области контурного контакта, а при достаточном магнитном напряжении насыщается и пятно контакта колеса с рельсом. Таким образом, намагничивание способствует концентрации энергии в зоне контакта колеса с рельсом. Дополнительное энергетическое воздействие, направленное на пятно контакта, улучшает сцепные свойства локомотива [10].
Для научно-технических коллективов задача исследования области контакта колеса и рельса с целью управления сцеплением остается актуальной. Устройства повышения сцепления нового поколения должны основываться на управлении свойствами рабочих поверхностей колеса и рельса. Поверхностям требуемые свойства могут придаваться как в зоне контакта, так и вне зоны контакта.

Библиография
1. А.С. Космодамианский, Магнитное усиление сцепления колес локомотива с рельсами при осевом намагничивании / А.С. Космодамианский, В.О. Корчагин, В.И. Воробьев // Локомотив. — 2022. — № 1 (781). — С. 29 — 31.
2. А.С. Космодамианский, Увеличение сцепления колес локомотива с рельсами воздействием постоянных магнитных полей на зону контакта [Текст] / А.С. Космодамианский, В.И. Воробьев, В.О. Корчагин // Наука и техника транспорта. — 2017. — № 2. — С. 8 — 15. — ISSN 2074-9325.
3. В.О. Корчагин, Улучшение тяговых качеств тепловозов воздействием постоянного магнитного поля на контакт трибосистемы колесо-рельс: дис.... канд.техн. наук: 05.22.07 / Корчагин Вадим Олегович. — М., 2017. — 175 с.
4. Kosmodamianskiy, A.S. Contact spot for conformal interface of the railroad locomotive wheel with the rail / A.S. Kosmodamianskiy, V.O. Korchagin, V.l. Vorobiev // 2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2017 — Proceedings: electronic edition, Chelyabinsk, 16 — 19 / 05 2017 r. — Chelyabinsk: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2017. — P. 8076434. — DOI 10.1109/ ICIEAM.2017.8076434.
5. В.И. Воробьев, Исследование взаимодействия колеса и рельса аппроксимацией профиля рядами Фурье / В.И. Воробьев, В.О. Корчагин // Мир транспорта и технологических машин. — 2017. — № 3 (58). — С. 14 — 19.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК