МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ КВАЗИСТАТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА НАГРУЖЕНИЯ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ ЛОКОМОТИВА ПРИ КОЛЕСНО-КОЛОДОЧНОМ ТОРМОЖЕНИИ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрена модель для квазистатического расчета нагружения колесной пары локомотива при колесно-колодочном торможении. При этом бандаж совместно с колесном центром и осью колесной пары образуют жесткие соединения, деформации которых не учитываются. В качестве примера для методике принят бандаж тепловоза UzTE16M2.

ABSTRACT

This article discusses a model for quasi-static calculation of loading of a locomotive wheel pair during wheel-block braking. In this case, the tire together with the wheel center and the axle of the wheelset form rigid connections, the deformations of which are not taken into account. The UzTE16M2 diesel locomotive tire was used as an example for the methodology.

Ключевые слова: колесная пара, локомотив, тормозные колодки, износ.

Keywords: a pair of wheels, the locomotive, the brake pads wear.

Одной из важнейших задач для железнодорожного подвижного состава является повышение надежности и долговечности тормозных систем, что связано с обеспечением прочности и повышением износостойкости тормозного узла колодочного типа. В развитых странах мира, таких как США, Англия, Франция, Испания, Германия, Япония, Китай, Россия и в других странах, возрастает интерес к тормозной проблеме, в связи с этим в  научно-исследовательских институтах и на промышленных предприятиях ведутся исследования, направленные на улучшение фрикционных показателей тормозных узлов подвижного состава [3]. Разрабатываются новые конструкции элементов тормозных систем и эффективные технологические процессы производства.

Традиционным материалом для тормозных колодок подвижного состава на протяжении многих десятилетий является серый фрикционный чугун, зарекомендовавший себя как относительно надежный материал в условиях трения без смазки по стали [4]. В последнее время появились колодки из более износостойких материалов – металлокерамики и полимеров [5], а также   из различных их комбинаций с чугуном [3,6]. Тем не менее чугун остается по-прежнему весьма перспективным материалом, обладающим рядом серьезных преимуществ: относительно низким износом и дешевизной материала, простотой в изготовлении, независимостью тормозной эффективности от погодных условий и т.д.

При пробеге локомотива 12-18 тысяч км чугунные тормозные колодки изнашиваются до половины массы, таким образом, ежегодно безвозвратно теряются десятки тысяч тонн чугуна [3,7]. В связи с этим научные исследования, направленные на изыскание путей увеличения эксплуатационной стойкости чугунных тормозных колодок, являются актуальными.

Существенным недостатком колодочного тормоза является то, что при движении колесной пары с большими скоростями и сокращении тормозного пути необходимо создание значительного по величине тормозного усилия, что приводит к юзу колес, т.е. движению колесной пары без её вращения [8].

Кроме того, в эксплуатации возникают проблемы, связанные не только с повышенным износом колодок, но и с повреждением сопряженных с ними бандажей колесных пар. Часто это связано с некачественным изготовлением колодок. При этом важным качеством используемого фрикционного материала является его совместимость со стальным бандажом, исключающая его повреждение.

Одним из основных условий, предъявляемых к основным элементам тормозных узлов, является требование высокой фрикционной теплостойкости, т.е. способность сохранять в оптимальном диапазоне скоростей, температуры и нагрузок определенные значения коэффициента трения и минимальную величину износа трущейся пары.

При колесно-колодочном торможении тормозная сила создается за счет радиального нажатия тормозных колодок на колеса подвижного состава. Механическое воздействие тормозных колодок на колесные пары сопровождается фрикционным износом поверхности кругов катания колес и самих колодок. Нажатие тормозных колодок на колесные пары двухстороннее [9]. Расчетная схема для квазистатического расчета нагружения колесной пары локомотива при колесно-колодочном торможении представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Расчетная схема для квазистатического расчета нагружения колесной пары локомотива при колесно-колодочном торможении

 На расчетной схеме рисунка 1 введены следующие обозначения:

 - сила нажатия тормозной колодки на бандаж;

 и - силы трения, возникающие при нажатии тормозной колодки на бандаж с силой , при этом знак меняется в зависимости от того, как расположена тормозная колодка (спереди или сзади колеса по направлению движения), которые можно рассчитать по формулам

 ,     ,                                     (1)

где  -коэффициент трения колодки о бандаж; зависит от типа тормозной колодки, а также от скорости движения поезда и удельного давления колодки на колесо [8]. Для того чтобы исключить зависимость коэффициента трения от силы нажатия, при проведении тормозных расчётов используется условно принятое расчётное тормозное нажатие . Коэффициент трения для расчётного нажатия называется расчётным коэффициентом трения . По мере снижения скорости поезда коэффициент трения увеличивается. Величины расчётного нажатия для различных типов локомотивов, вагонов и их загрузки, материала колодок приведены в таблицах, величины расчётных коэффициентов трения вычисляются для интервалов скоростей [3,7].

Сила трения   уравновешивается реакцией  , возникающей на тормозной колодке, а сила трения  уравновешивается реакцией  . Эти реакции  и    через тормозные башмаки и тормозную подвеску передаются на раму, затем на рессорное подвешивание, а через него на буксы оси и на оси. Одновременно реакции  и    вместе с силами  и   создают дополнительные моменты  и    , разгружающие или нагружающие колесо в зависимости от того, как расположена тормозная колодка (спереди или сзади колеса по направлению движения).

Сила сцепления колеса с рельсом   вычисляется по формуле

 ,                                                             (2)

где   – нагрузка от колеса на рельс;

 – коэффициент сцепления между колесом и рельсом.

В нормальных условиях реактивная сила  торможения (тормозная сила) и сила сцепления колеса с рельсом    равны между собой и взаимно уравновешиваются (рисунок 1), при этом очевидно, что

 .                                                  (3)

При этом тормозную силу нельзя увеличивать безгранично, так как ее величина ограничивается неравенством

 ,                                          (4)

т.е. в любой момент времени тормозная сила  не может превышать силы сцепления колеса с рельсом .

При этом возможно заклинивание колесных пар, или юз, при котором колесо прекращает вращение и скользит по рельсу при продолжающемся движении поезда. Как правило заклинивание колесных пар не наступает мгновенно, этому предшествует ее проскальзывание, вследствие чего скорость колесной пары становится меньше поступательной скорости единицы подвижного состава. Это приводит к увеличению тормозной силы   за счет повышения коэффициента трения   и заклиниванию. При этом в точке касания колеса с рельсом кинетическая энергия интенсивно превращается в тепловую, и вследствие истирания и воздействия высокой температуры на поверхности на поверхности катания колеса образуется ползун (овальная площадка). Это явление характеризуется характерным сдвигом металла в месте образования ползуна.

Чтобы не произошло юза при торможении допускаемое тормозное нажатие (тормозную силу) принимают таким, чтобы сила трения, возникающие при нажатии 2-х тормозных колодок на бандаж с силой   превышала силу сцепления  (см. рисунок 2.1).

Тормозная сила ограничивается коэффициентом сцепления колеса с рельсом  . Для обеспечения безюзного торможения колесной пары локомотива должно быть соблюдено условие

   ,                                              (5)

где    – число колодок на колесе (обычно  или  ). Нажатие тормозных колодок на колесные пары двухстороннее, поэтому в нашем случае   [3] (см. рисунок 1);

 – расчетный коэффициент трения колодки о бандаж; зависит от типа тормозной колодки, а также от скорости движения поезда и удельного давления колодки на колесо;

- суммарная расчетная сила нажатия тормозных колодок на ось, кН (тс);

- расчетный коэффициент сцепления колеса с рельсом;

 – нагрузка от оси на рельс, кН (тс).

На рисунке 2 приведена кривая изменения тормозной силы  при заклинивании колесной пары.

Отношение суммарного расчётного нажатия к весу поезда называется расчётным тормозным коэффициентом

,                                                                (6)

где     - расчётный тормозной коэффициент; Р - вес локомотива;

Q  - вес вагонов поезда.

Рисунок 2. Кривая изменения тормозной силы   при заклинивании колесной пары

Расчётный тормозной коэффициент характеризует обеспеченность поезда тормозным нажатием. Величина тормозного нажатия на 100 т веса поезда численно равна расчётному тормозному коэффициенту, выраженному в процентах. Поезд должен быть обеспечен тормозным нажатием согласно нормы для его категории [10].

В расчётах, где учитывается применение экстренного торможения, расчётный тормозной коэффициент принимается равным его полному значению. Если учитывается применение полного служебного торможения, расчётный тормозной коэффициент принимается равным 0,8 его расчётной величины [11].

Список литературы:

1. Ergashev, O. E., Abduvakhabov, M. E., Khamidov, O. R., Tursunov, N. K., & Toirov, O. T. (2022). INCREASING THE DURABILITY OF GEAR TRANSMISSIONS OF ASYNCHRONOUS TORSION ELECTRIC MOTORS. Web of Scientist: International Scientific Research Journal, 3(10), 1030-1036.
2. Xamidov, O., Ergashev, O., Abduvahobov, M., &Nematova, S.(2022). “O‘ZBEKISTON” ELEKTROVOZI VA TE10M TEPLOVOZINING TORTUV REDUKTORI TEXNIK HOLATINI BAHOLASH. Current approaches and new research in modern sciences, 1(4), 37-42.
3. Jamilov, S., Ergashev, O., Abduvaxobov, M., Azimov, S., & Abdurasulov, S. (2023). Improving the temperature resistance of traction electric motors using a microprocessor control system for modern locomotives. In E3S Web of Conferences (Vol. 401, p. 03030). EDP Sciences.
4. Ergashev, O. (2023). ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СХЕМ ИСПЫТАНИЙ ГРУЗОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН СПОСОБОМ НАГРУЗКИ. Главный редактор: Ахметов Сайранбек Махсутович, д-р техн. наук; Заместитель главного редактора: Ахмеднабиев Расул Магомедович, канд. техн. наук; Члены редакционной коллегии, 54.
5. Асадченко, В. Р. Автоматические тормоза подвижного состава: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта / В. Р. Асадченко. М.: Маршрут, 2006. - 392 с.
6. Данковцев В.Г., Киселев В.И., Четвергов В.А. Техническое обслуживание и ремонт локомотивов. / Под ред. В.А. Четвергова, В.И. Киселева. М: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007.-558 с.
7. Динамика локомотивов /М.А. Ибрагимов, В.И. Киселев , В. А. Рамлов, А.В. Скалин: Уч. пос.-М.: РГОТУПС, 2005.- 128 с.
8. Иноземцев, В. Г. Автоматические тормоза / В. Г. Иноземцев, В. М. Казаринов, В. Ф. Ясенев. М.: Транспорт. - 1981. - 464 с.
9. Механическая часть подвижного состава. / Под ред. И.С. Бирюкова, А.Н. Савоськина и др. М.: Транспорт, 1992 . – 440 с.
10. Simon Iwnicki. Handbook of Railway Vehicle Dynamics. 2006. Taylor & Francis Group.- 527 p.
11. Высокоскоростной железнодорожный транспорт. Общий курс: учеб. пособие: в 2 т./ И.П. Киселёв м др.; под ред. И.П. Киселёва.-М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2014. Т.2.-372 с.
12. О.Т.Касимов, Ш.Э.Турсунов, Ш.И.Мамаев, Ф.Ш.Хусниддинов, Б.Х.Эркинов. Анализ причин oтказoв тoрмoзнoгo oбoрудoвания лoкoмoтивoв в услoвиях аo «Ўзбекистoн темир йўллари». Universum: технические науки июнь, 2022 г. Стр 5.
13. Файзибаев Ш.С., Хромова Г.А. Оптимизация работы колеса и рельса путем снижения контактных напряжений при динамическом взаимодействии колесных пар подвижного состава. Монография. ISBN 978-9943-975-96-5.–Ташкент: «Fan va technologiya», 2015.-180 с.
14. Ш.С.Файзибаев, О.Т.Касимов. Моделирование сдвига поверхносного слоя бандажа колесной пары локомотива в зонах контакта с чугунными тормозными колодками. Universum: технические науки 2020. С. 6–9.
15. Ш.С.Файзибаев, О.Т.Касимов. Расчет для оценки температурных полей в материале бандажа при торможении тепловоза UZTE16М. Universum: технические науки апрель 2022. Стр 5.
16. Глущенко А.Д., Файзибаев Ш.С. Моделирование импульсного динамического и теплового нагружения материала колесных пар локомотивов. Ташкент: Фан, 2002 .- 194 с.