30 Дек

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И МЕТОДОВ ТРИБОМОНИТОРИНГА ФРИКЦИОННЫХ СИСТЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Трибомониторинг открытых узлов трения подвижного состава предназначен для повышения эффективности, безопасности и ресурса открытых узлов трения подвижного состава на основе их модельных исследований, неразрушимого контроля и формирования управляющих воздействий на фрикционный контакт, обеспечивающих реализацию номинальных и исключение аномальных режимов функционирования. Под мониторингом понимается постоянный систематический сбор и обработка диагностической информации о каком – либо процессе или объекте с целью выявления соответствия его параметров оптимальным (или рациональным) значениям, а также формированию соответствующего управляющего сигнала. При динамическим мониторинге производится диагностирование и прогнозирование динамических характеристик какого-либо объекта с целью решения задач: а) комплексных исследований модельной системы; б) диагностики текущего состояния модельной и натурной систем; в) прогнозирования изменения состояний модельной и натурной систем; г) управления натурной системой системами автоматического управления для предотвращения критических режимов функционирования (например, атермического или термического схватываний) или неуправляемого движения (например, боксования, юза, потери устойчивости и т.д.). Основой предлагаемой методики динамического мониторинга нелинейных (фрикционных) транспортных систем является трибоспектральная идентификация их выходных параметров [4, 5]. Под трибоспектральной идентификацией понимается определение оператора, связывающего входные и выходные координаты нормальных и тангенциальных составляющих сил фрикционного взаимодействия. Задача трибоспектральной идентификации транспортных систем не представляет трудности, если временные сигналы нормальной и тангенциальных составляющих сил фрикционного взаимодействия являются реализациями случайных стационарных процессов. Для прогнозирования состояний фрикционных подсистем, например, по критерию допустимого износа (вида изнашивания, наличия смазочного материала, его качества и т.д.), необходимо выявить параметры, которые объективно характеризуют их состояние в процессе изнашивания, и их можно было бы измерить (зафиксировать) непосредственно во время работы узла трения без остановки и разборки.

Взаимосвязь механических и фрикционных подсистем модели и объекта исследования [4] определяется идентичностью: а) частот и основных форм колебаний масс механических систем, б) частот и форм колебаний микро- и макро-шероховатостей, в) давлений, г) скоростей относительного скольжения поверхностей трения, д) характерных видов изнашивания поверхностей трения модельного и натурного объектов. Для этого в динамическую модель квазилинейной механической подсистемы вводится модель реального фрикционного контакта. На основе регистрируемых в реальном времени виброколебаний сил нормального давления, момента трения силы контактного взаимодействия представляются частотной передаточной функцией W(iw), отображающей упругие, диссипативные и инерционные свойства

                                      (1)

где Stn(iw) – взаимный спектр тангенциального и нормального силового взаимодействия, учитывающий свойства трибосреды и условия окружающей среды; Sn(w) – автоспектр нормального силового воздействия с учётом неуправляемого шума, возмущающего стационарные движения; частотные характеристики: А(w) – амплитудная, j(w) – фазовая, P(w) – вещественная (ВЧХ), характеризующая упруго-инерционные свойства; Q(w) – мнимая (МЧХ), характеризующая диссипативные потери в системе; w – частота колебаний.

При регистрации частоты колебаний w от нуля до частоты Найквиста wN исследуемой механической системы изменяются значения A(w) и j(w) в выражении (1), а на фазовой плоскости отображается годограф (рисунок 1) амплитудно – фазочастотной характеристики (АФЧХ).

Рисунок 1. Интерпретация АФЧХ с точки зрения упруго – диссипативных свойств трибосистемы, где m – масса активных микрообъёмов, участвующих в трении; b – эквивалентный коэффициент демпфирования; C – коэффициент упругих свойств ФК.

Процесс трения рассматривается как динамическая связь, формируемая под влиянием механической системы и подсистемы фрикционного контакта через узел трения. Эта связь существует всегда: при устойчивой стационарной траектории или неустойчивой, когда в системе развиваются автоколебания.

В теории автоматического управления [6] имеется ряд интегральных оценок амплитудно – фазочастотных характеристик, позволяющих системам автоматического управления оперативно оценивать и реагировать на изменяющиеся условия взаимодействия. Например, стабильность фрикционных связей можно оценить по величинам запаса устойчивости по амплитуде (ограничения по инерционной составляющей) и запаса устойчивости по фазе (ограничения по диссипативной составляющей) [6] амплитудно – фазочастотных характеристик. Однако не существует интегральных оценок, позволяющих косвенно идентифицировать, диагностировать состояние трибосистемы и прогнозировать её изменение.

Для решения задач динамического мониторинга фрикционных систем, идентификации динамического состояния трибосистем модельной и натурной систем введены неиспользуемые ранее интегральные оценки: диссипации IQ и степени диссипации Ig трибосистем как во всём частотном диапазоне спектрального анализа АФЧХ, так и по октавным или 1/3, 1/12 и 1/24 долеоктавным полосам частот [5, 2]

                          ,                      (2)

где P(w) – ВЧХ (1); Q(w) – МЧХ (1); w – частота колебаний.

Интегральные оценки (2) позволяют оценить соотношение упруго – инерционных и диссипативных сил фрикционного взаимодействия, выявить не рассматриваемые ранее механизмы потери устойчивости, условия необратимости в контактной области и сформулировать новое направление при построении систем динамического мониторинга состояний механической системы непосредственно в ходе их функционирования.

Первая оценка IQ косвенно определяет потери на трение, то есть диссипативные свойства механической системы и процесса трения как динамической связи: чем больше в трибосистеме потери на трение, тем выше её величина.

Вторая оценка Ig для ФС характеризует упруго – диссипативные свойства подсистемы машины и процесса трения как динамической связи. Оценке Ig можно сопоставить величину степени демпфирования g некоторой линейной механической системы, описываемой дифференциальным уравнением

Рисунок 2. Зависимости интегральной оценки степени диссипации Iγ, вычисленной по АФЧХ, и коэффициента степени демпфирования γ механической системы от коэффициента демпфирования b

Следовательно, интегральная оценка Ig нелинейно зависит от коэффициента демпфирования b. Однако обе характеристики (степень демпфирования g и интегральная оценка Ig) имеют общую точку пересечения при величине критического демпфирования bкр. Это позволяет по величине интегральной оценки Ig ориентировочно установить критическую величину демпфирования фрикционной подсистемы, при которой наступает апериодический характер движения.

В изменении (2) во времени отображаются динамические состояния фрикционного контакта, связанные с его триботехническими свойствами и динамическом влиянии механической системы. Наблюдение и изучение вышеназванных интегральных оценок в октавных (долеоктавных) полосах частот позволяет качественно и количественно определять значения текущей работы и (или) мощности необратимых изменений подводимой энергии в узле трения.

Апробация разработанных методов динамического мониторинга мобильных фрикционных систем осуществлялись на примере системы «Подвижной состав – путь» и её фрикционной подсистемы «колесо – рельс». Выбор данной системы в качестве примера объясняется следующими факторами:

1) сотни тысяч колёсных пар эксплуатируются в системе ОАО «Российские железные дороги» и других промышленных предприятий;

2) данные узлы трения работают в режиме интенсивных динамических нагрузок, уровень контактных давлений превышает уровень пластического деформирования материалов колёс и рельсов;

3) рабочие поверхности колёс и рельсов подвержены воздействию атмосферных осадков и температуры окружающей среды;

4) колесо и рельс имеют фрикционные рабочие поверхности I, где реализуется тяговый момент, и антифрикционные – контакт гребня колеса с боковой гранью рельса II (рисунок 3).

Рисунок 3. Подсистема «колесо – рельс» подвижного состава: I – фрикционная поверхность колёсной пары 1, II – антифрикционная поверхность гребня колеса 1 и рельса 2, III – возможное место термоповреждения,
2 – рельсы, 3 – шпалы, 4 – балластное основание

При движении подвижного состава в криволинейных участках пути малого радиуса с отрицательным или положительным непогашенным ускорением, отсутствии смазочных материалов в контакте гребней колёсных пар с боковой гранью головки рельса под действием боковых инерционных сил гребни колёсных пар контактируют с боковой гранью головки рельса. Возникающие в местах фактической площади касания нормальные и тангенциальные напряжения превышают предел текучести материалов колёс и рельсов, что приводит к пластическому деформированию гребней колёсных пар [1]. Внешними признаками повреждаемости гребней колёсных пар являются образование глубоких борозд, вырывов, рисок, наростов, оплавлений (рисунок 4).

Рисунок 4. Внешние признаки повреждаемости колёсных пар

С 1995 г. на железнодорожном транспорте широко применяются технические средства лубрикации [1], реализующие ротапринтно – контактный способ подачи твёрдых смазочных материалов в открытые узлы трения, каким является фрикционный контакт «гребень колеса – боковая поверхность головки рельса». Технические средства лубрикации уменьшают износ колёс и рельсов и повышают их технический ресурс. Однако отсутствие систем мониторинга работ по гребне- и рельсосмазыванию, контроля достаточного количества смазочного материала на боковой поверхности головки рельсов, снижает эффективность применения технических средств лубрикации. Перед железнодорожным транспортом в XXI веке стоят задачи по увеличению объёма перевозок грузов, снижению себестоимости перевозок. Это обусловливает повышение осевых нагрузок P подвижного состава и его скоростей V движения. Без надлежащего и эффективного использования современных технологических средств лубрикации, информационных технологий, динамического мониторинга технического состояния подсистемы «колесо – рельс» дальнейшее увеличение параметра PV приведёт к дальнейшему увеличению интенсивности изнашивания колёс и рельсов [7].

С использованием методик физико-математического моделирования и трибоспектральной идентификации процессов трения [4, 5] выполнены исследования режимов контактирования колеса с рельсом. Исследования показали, что наиболее целесообразно и эффективно для лубрикации открытых узлов трения применять твёрдые смазочные покрытия. Установлено, что изменение среднего значения или пик-фактора интегральных оценок (2) на характерных диапазонах частот (рисунок 5) характеризует наличие или отсутствие смазочного материала на боковой поверхности головки рельсов, а также определить остаточный ресурс разового нанесения смазочного материала, его вид и качество, а также фиксировать возможные случаи термического поражения фрикционного контакта.

Рисунок 5. Интегральные оценки диссипативной составляющей трения (2) по диапазонам частот, определяющие остаточный ресурс разового нанесения смазочного материала

Раскрыта связь необратимых процессов, протекающих во фрикционном контакте, с регистрируемыми амплитудно – фазочастотными характеристиками преобразования нормальных составляющих сил контактного взаимодействия в тангенциальные и выходными триботехническими характеристиками фрикционных систем. Интегральные оценки, определяемые на основе анализа спектральных характеристик сил нормального и тангенциального контактного взаимодействия, характеризуют упруго-диссипативную природу процессов трения в наиболее информативных октавных (долеоктавных) полосах частот и позволяют качественно и количественно определять значения текущей работы и (или) мощности необратимых изменений подводимой энергии в узле трения. Предложены методы, способы и алгоритмы динамического мониторинга, позволяющие в реальном времени возможность: а) наблюдения за состоянием узлов трения, б) прогнозирования их изменений и в) управления нагрузочно – скоростными режимами эксплуатации фрикционных систем, либо изменения функциональных трибохарактеристик контакта.

Технология и технологическое оборудование для модифицирования фрикционной и антифрикционной пар трения в системе «колесо – рельс» внедрены на сети дорог ОАО «РЖД» [1, 7, 3].

Список литературы:

  1. Озябкин, А.Л. Повышение эффективности лубрикации в системе «подвижной состав – путь» / А.Л. Озябкин, П.В. Харламов, Э.Э. Фейзов // Железнодорожный транспорт. – 2011. – № 12. – С. 30–34.
  2. Озябкин, А.Л. Теоретические основы динамического мониторинга фрикционных мобильных систем // Трение и смазка в машинах и механизмах. – 2011. – № 10. – С. 17–28.
  3. Оптимизация ширины рельсовой колеи. Экспериментальное исследование сил трения, удельных давлений и температур, возникающих при взаимодействии колёс и рельсов при различных параметрах колеи и ходовых частей: отчет о НИР 19.5.002р по х/д 1057/07 / В.В. Шаповалов, А.Л. Озябкин [и др.]. – Ростов н/Д : РГУПС, 2007. – 162 с.
  4. Пат. № 2343450 РФ, МПК G01N 3/56. Способ испытаний узлов трения / В.В. Шаповалов, А.Л. Озябкин [и др.]. – № 2343450 ; заявл. 13.06.2006 ; опубл. 10.01.2009, Бюл. № 1 ; приоритет 13.06.2006, № 2006121024/28.
  5. Пат. № 2517946 РФ, МПК G 01 N 3/56 (2006.01). Способ динамического мониторинга фрикционных мобильных систем / В.В. Шаповалов, А.Л. Озябкин, П.В. Харламов [и др.]. – № 2517946 ; заявл. 05.04.2012 ; опубл. 10.06.2014, Бюл. № 16 ; приоритет 05.04.2012, № 2012113329/28.
  6. Пупков, К.А. Методы классической и современной теории автоматического управления : учебник. В 5 т. Т. 1: Математические модели, динамические характеристики и анализ систем автоматического управления / под ред. К.А. Пупкова, Н.Д. Егупова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Изд – во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 656 с.
  7. Разработка инновационной технологии лубрикации в системе «колесо – рельс» на базе наноматериалов / В.В. Шаповалов, П.Н. Щербак, А.Л. Озябкин [и др.] // Трение и смазка в машинах и механизмах. – 2011. – № 10. – С. 39–41.
    РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И МЕТОДОВ ТРИБОМОНИТОРИНГА ФРИКЦИОННЫХ СИСТЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
    Written by: Озябкин Андрей Львович
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 06/16/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)
    Available in: Ebook