Повышение долговечности бандажей колесных пар электровозов в условиях депо
На правах рукописи
ХУДОЯРОВ Дмитрий Леонидович
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ БАНДАЖЕЙ
КОЛЕСНЫХ ПАР ЭЛЕКТРОВОЗОВ В УСЛОВИЯХ ДЕПО
Специальность 05.22.07 – Подвижной состав
железных дорог, тяга поездов и электрификация
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС).
Научный руководитель кандидат технических наук, доцент
БУЙНОСОВ Александр Петрович.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
ПРОСВИРОВ Юрий Евгеньевич;
кандидат технических наук, профессор
ЗЫКОВ Юрий Валентинович.
Ведущее предприятие государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения».
Защита диссертации состоится «____» ____________ 2010 г. в 14-00 на заседании Диссертационного совета Д 218.013.01 при Уральском государственном университете путей сообщения (УрГУПС) по адресу: 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, ауд. 283.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета и в сети Интернет на сайте http://usurt.ru .
Автореферат разослан «____» ______________ 2010 г.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять в адрес Диссертационного совета по почте и по факсу (343) 245-31-88.
доктор технических наук, профессор В. Р. Асадченко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Бандажи колесных пар являются одним из самых ответственных элементов механической части электровозов. Величина ресурса бандажей определяет периодичность технического обслуживания ТО-4 (обточка бандажей с целью восстановления конфигурации их профиля), ремонта ТР-3, СР и КР для замены полностью изношенных бандажей колесных пар.
По оценке экспертов, в России в начале 80-х гг. срок службы бандажей колесных пар локомотивов составлял 6–7 лет, а в 90-е гг. ХХ века он сократился уже до 2–3 лет. Отказы по износу колес занимают «ведущее место» среди других технических отказов в эксплуатации локомотивов.
Проблемой износа колесных пар прямо или косвенно занимались многие ученые и практики в России и за рубежом. На основе натурных наблюдений делались выводы о влиянии тех или иных факторов на интенсивность износа, на основе теоретических разработок строились модели.
Рисунок 1 – Распределение обточек по причинам за 2009 г. в локомотивном депо Свердловск-сортировочный
Статистический анализ причин износа бандажей колесных пар показывает, что основная доля износов поверхности бандажа приходится на гребень бандажей колесных пар (рисунок 1). Поэтому большинство обточек производят по износу гребня, причины остальных обточек распределяются примерно в равном соотношении.
Интенсивность износа гребня напрямую влияет на долговечность бандажей колесных пар. От долговечности бандажей зависит срок службы всей колесной пары электровоза, так как при предельном износе бандажей необходимо производить выкатку колесно-моторного блока, что не только оставляет эксплуатационные депо ОАО «РЖД» без работоспособного электровоза, но и добавляет работы ремонтным локомотивным депо, а значит, приводит к росту себестоимости перевозок и снижению конкурентоспособности железнодорожного транспорта.
Ресурс бандажей колесных пар является одним из определяющих факторов величины межремонтных пробегов – не увеличив ресурс бандажей, невозможно продлить межремонтный период между текущими ремонтами ТР-3, что сдерживает увеличение пробегов между ремонтами во всей системе технического обслуживания и текущего ремонта электровозов.
Объект исследования – бандажи колесных пар электровозов.
Предмет исследования– способы повышения ресурса бандажей колесных пар.
Целью диссертационной работы является увеличение долговечности бандажей колесных пар электровозов в условиях депо. В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи:
– выполнить анализ причин изнашивания бандажей колесных пар и способов, существенно повышающих долговечность бандажей электровозов;
– разработать математическую модель многофакторного анализа повышения долговечности бандажей колесных пар;
– разработать методику оценки влияния наплавки гребней на долговечность бандажей колесных пар электровозов;
– усовершенствовать методику определения проката на основе разработанной математической модели.
Методы исследования. В ходе исследования применялись методы теории вероятности и математической статистики. Общая методика исследований построена на использовании численных методов анализа, построении прогнозных моделей, натурных испытаниях.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных методов обоснования полученных результатов, выводов и рекомендаций, а также положительным опытом внедрения предложений автора работы на Свердловской железной дороге.
На защиту выносятся:
– способы, повышающие долговечность бандажей колесных пар электровозов в условиях депо;
– математическая модель многофакторного анализа комплексного влияния способов повышения долговечности бандажей колесных пар;
– методика оценки влияния наплавки гребней на долговечность бандажей колесных пар электровозов;
– усовершенствованная методика определения величины проката бандажей колесных пар.
Научная новизна работы заключается в следующем:
– разработана математическая модель многофакторного анализа комплексного влияния способов повышения долговечности бандажей колесных пар электровозов;
– разработана методика оценки влияния наплавки гребней на долговечность бандажей колесных пар электровозов;
– усовершенствована методика определения проката бандажей колесных пар электровозов ВЛ10 и ВЛ11.
Практическая ценность. Выполненные исследования позволили выявить степень влияния исследуемых способов на снижение интенсивности износа бандажей колесных пар. Даны практические рекомендации о целесообразности применения каждого из исследуемых способов повышения долговечности бандажей колесных пар, которые могут найти свое применение на предприятиях, осуществляющих эксплуатацию и ремонт электровозов.
Реализация результатов работы. Материалы, представленные в диссертации, являются составной частью научно-исследовательских работ УрГУПС по разработке способов повышения ресурса бандажей колесных пар тягового подвижного состава железных дорог.
Результаты исследования и практические предложения внедрены в локомотивных депо Свердловской железной дороги.
Апробация работы. Основные результаты работы опубликованы в открытой печати, докладывались и одобрены на: Межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые – транспорту» (Екатеринбург, УрГУПС, 2005–2010 гг.); научно-технической конференции, посвященной юбилею электромеханического факультета УрГУПС (Екатеринбург, 2008 г.); заседаниях кафедры «Электрическая тяга» УрГУПС (2006–2010 гг.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 10 статьях (из них четыре – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ). Общий объем публикаций 5,63 п.л., из которых автору принадлежит 3,55 п.л. Статьи опубликованы в журналах «Железнодорожный транспорт», «Транспорт Урала», «Известия Петербургского университета путей сообщения», «Локомотив», «Вестник УрГУПС», в сборниках научных трудов УрГУПС.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя введение, пять глав, заключение, библиографический список из 121 наименований и три приложения. Основное содержание изложено на 129 страницах машинописного текста, в том числе 22 таблиц, 45 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, изложены основные результаты и практическое значение работы.
В первой главе выполнен анализ причин изнашивания бандажей колесных пар локомотивов, приведен обзор научных работ, посвященных проблеме повышенного износа бандажей колесных пар. Рассмотрены основные способы повышения долговечности и износостойкости бандажей.
Проблемы износа пары «колесо–рельс» всегда находились в центре внимания отраслевой и академической науки. Значительный вклад в решение этой проблемы внесли и вносят ученые и специалисты Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ОАО «ВНИИЖТ»), Научно-исследовательского и конструкторско-технологического института подвижного состава (ОАО «ВНИКТИ»), Дальневосточного (ДВГУПС), Московского (МГУПС), Петербургского (ПГУПС), Омского (ОмГУПС), Сибирского (СГУПС), Уральского (УрГУПС) государственных университетов путей сообщения, Брянского государственного технического университета, института проблем механики РАН и ряда других организаций.
Этой проблеме посвятили целый ряд работ российские и зарубежные ученые: С. М. Андриевский, В. М. Богданов, А. П. Буйносов, Ю. Н. Виноградов, А. А. Воробьев, А. В. Горский, А. Т. Головатый, А. Л. Голубенко, М. П. Гребенюк, В. Г. Григоренко, Ю. А. Евдокимов, С. М. Захаров, Ю. В. Зыков, И. А. Иванов, С. Г. Иванов, И. П. Исаев, А. И. Карамзин, В. Н. Кашников, А. Я. Коган, А. С. Космодамианский, С. М. Куценко, Т. В. Ларин, М. А. Левинзон, Ю. Н. Ликратов, М. М. Машнев, И. А. Майба, Н. Ф. Медведев, В. С. Наговицын, Ю. Е. Просвиров, Ю. С. Ромен, А. Н. Савоськин, А. В. Смольянинов, К. А. Стаценко, М. Н. Трофимов, А. А. Хохлов, И. С. Цихалевский, В. Н. Цюренко, В. В. Шаповалов, В. Н. Шестаков, Л. М. Школьник, Н. П. Щапов, Д. Калкер и другие.
Исходя из исследований, посвященных износу бандажей, износ является следствием механического зацепления неровностей трущихся поверхностей и разрушения их за счет этих зацеплений при трении; износ происходит за счет развития усталостных процессов разрушения трущихся поверхностей при истирании; истирание поверхности обусловлено изменением механических свойств металла при наклепе; истирание возникает вследствие взаимодействия трущихся металлов с окружающей газовой средой, что приводит к образованию пленок, легко удаляемых при трении; при истирании происходят местные схватывания и вырывы металла в отдельных точках поверхностей, которые при скольжении разрушаются; процесс истирания связан со свариванием металлов в точках контакта в результате воздействия высоких температур, развивающихся в контактной зоне и доходящих до температур плавления; узлы сваривания разрушаются при перемещении поверхностей.
При зарождении теории и практики тяги поездов детально рассматривались вопросы снижения износа колеса и рельса. Формировалась экспериментальная база по определению коэффициента сцепления, создавались математические модели. Несмотря на напряженные усилия ученых всего мира, модели взаимодействия колеса и рельса иногда давали прямо противоположные результаты. Модели, описывающие движение системы «колесные пары–рельсы», описанные в трудах отечественных и зарубежных ученых, не способны учесть сложный комплекс взаимосвязанных физико-химических явлений, происходящих на поверхностях колесных пар и рельсов, и приводящих к изменению физико-механических свойств материалов в пятнах фактического контакта, действие температурных градиентов и других факторов.
Существующая программа действий по снижению износа гребней предусматривает следующее: применение гребне- и рельсосмазывания; подбор профилей катания бандажа; упрочение гребней бандажей колесных пар; применение своевременного разворота локомотива; контроль качества производства ремонта колесных пар; подбор по жесткости поводков буксовых узлов; подбор диаметров колесных пар.
Несмотря на достигнутые результаты, проблема не потеряла актуальности и требует усиленного внимания. Проведенные исследования в области повышения ресурса бандажей колесных пар позволяют в той или иной мере судить об эффективности отдельных способов, направленных на повышение долговечности элементов катания бандажей, однако совместно эти способы еще не исследовались.
Таким образом, для достижения поставленной цели и решения сопутствующих задач необходимо разработать математическую модель, позволяющую выявить степень влияния каждого из способов на долговечность бандажей колесных пар электровозов. Структура организации исследования и решения задачи приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Структура исследования и решения задачи
Вторая глава посвящена математической обработке статистической информации и построению вероятностно-статистической модели, отражающей зависимость ресурса бандажей от внедряемых способов.
Степень влияния способов, направленных на снижение износа бандажей колесных пар, можно представить в виде функции многих переменных:
R = (f, e, h, l, b, d, o, t, k, r, c, j, g, w), (1)
где f – обточка бандажей по наилучшему профилю поверхности катания бандажей колесных пар; e – применение современного технологического оборудования в ремонтном процессе; h – упрочнение гребней бандажей; l – применение лубрикации; b – применение триботехнического состава НИОД; d – наплавка гребней бандажей; o – обточка с сохранением остаточного проката; t – увеличение начальной толщины бандажей; k – климатические условия; r – поддержание в эксплуатации нормируемых параметров верхнего строения пути; c – своевременная замена резинометаллических элементов; j – разворот электровоза; g – подбор диаметров колесных пар; w – подбор поводков по жесткости.
Если по каким-либо причинам эта функция получает достаточно малые случайные приращения f, e, h, l, b, d, o, t, k, r, c, j, g, w, то ее новое значение можно представить в виде ряда Тейлора:
(2)
Ограничиваясь первой степенью малых приращений переменных, получаем следующее выражение:
(3)
Таким образом, можно в комплексе прогнозировать эффект от внедрения в условиях депо рассматриваемых основных способов, направленных на повышение долговечности бандажей колесных пар.
Выбор основных способов можно произвести по следующим критериям: 1) потребность в применении; 2) наличие разработанных технологий; 3) техническая возможность локомотивных депо. Сопоставление основных способов с критериями выбора приведено в таблице 1.
