Поліпшення гальмових характеристик рухомого складу залізниць за рахунок примусового охолодження робочих елементів дискового гальма

Размещено на http://www.allbest.ru/

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля

УДК 629.4-592:62-71

05.22.07 - Рухомий склад залізниць та тяга поїздів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Поліпшення гальмових характеристик рухомого складу залізниць за рахунок примусового охолодження робочих елементів дискового гальма

Білобородова Ірина Михайлівна

Луганськ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля (СНУ ім. В. Даля) на кафедрі "Гідрогазодинаміка" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України, Осенін Юрій Іванович, СНУ ім. В. Даля, проректор з науки.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор, Старченко Валерій Миколайович, СНУ ім. В. Даля, завідувач кафедри автомобілів;

- кандидат технічних наук, доцент, Бабаєв Анатолій Максимович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, доцент кафедри "Вагони".

Захист відбудеться 24.12.2010 р. о 10:00 на засіданні спеціалізованої ради Д29.051.03 при Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, корпус 1, зал засідань (ауд. 241).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, СНУ ім. В. Даля, наукова бібліотека.

Автореферат розісланий 23.11.2010 р.

В.О. вченого секретаря спеціалізованої вченої ради Д29.051.03 П.Л. Носко.

Анотація

Білобородова І.М. "Поліпшення гальмових характеристик рухомого складу залізниць за рахунок примусового охолодження робочих елементів дискового гальма". - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.22.07 - Рухомий склад залізниць та тяга поїздів. - Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. Луганськ 2010 р.

Дисертація присвячена питанням нівелювання впливу температури, що генерується в зоні контакту робочих фрикційних елементів дискового гальма, на гальмові характеристики рухомого складу залізниць. У першу чергу це пов'язано зі зменшенням залежності коефіцієнта тертя від температури.

Рішення поставленої задачі базується на використанні отриманих математичних моделей процесів фрикційної взаємодії та складного теплообміну між елементами дискового гальма при гальмуванні в умовах примусового дозованого охолодження його елементів. Це дозволило розробити систему активного рідинно-повітряного охолодження дискового гальма рухомого складу, що побудована на базі рекуперативного теплообмінного апарата, яка може використовувати у якості теплоносія технічну воду, або близьку до неї за теплотехнічними характеристиками рідину.

Виконана експериментальна перевірка підтвердила адекватність запропонованих математичних моделей і розрахункових залежностей, а також доцільність використання примусового охолодження фрикційних елементів дискового гальма рухомого складу, зокрема за допомогою розробленої системи активного охолодження.

Ключові слова: дискове гальмо локомотива, коефіцієнт тертя, складний теплообмін, рекуперативна система охолодження.

Аннотация

Белобородова И.М. "Улучшение тормозных характеристик подвижного состава железных дорог за счет принудительного охлаждения рабочих элементов дискового тормоза". - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 50.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов. - Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля. Луганск 2010 г.

Рост скорости движения подвижного состава железных дорог привело к увеличению кинетической энергии, которая при торможении приводит к повышению температуры фрикционных элементов тормоза. Исследования и опыт эксплуатации показывают, что основной причиной нестабильности коэффициента трения фрикционного тормоза является повышение температуры его элементов. Это, в свою очередь, потенциально ведет к ухудшению тормозных характеристик подвижного состава в целом и связанным с этим аварийным ситуациям на железной дороге.

Диссертация посвящена вопросам нивелирования влияния температуры, генерируемой при торможении в зоне фрикционного контакта элементов дискового тормоза, на тормозные характеристики подвижного состава железных дорог. В первую очередь это связано с уменьшением зависимости коэффициента трения от температуры.

Решение поставленной задачи базируется на использовании полученных математических моделей процессов фрикционного взаимодействия и сложного теплообмена между рабочими элементами дискового тормоза локомотива при торможении в условиях их принудительного дозированного охлаждения.

Предлагаемые модели позволяют учитывать влияние на сложный теплообмен совместного действия вращательного и поступательного движения взаимодействующих рабочих элементов дискового тормоза, принудительного отвода части тепловой энергии, вырабатывающейся при торможении, а также влияние генерируемых тепловых потоков и обусловленной этим температуры на фрикционные, механические и теплофизические характеристики материалов и теплоносителей, участвующих в сложном теплообмене.

Это позволило разработать систему активного охлаждения дискового тормоза тягового подвижного состава, построенную на базе рекуперативного жидкостно-воздушного теплообменного аппарата, который может использовать в качестве теплоносителя техническую воду. В качестве звена, служащего для передачи генерируемой тепловой энергии теплоносителю, в данной системе охлаждения используется оригинальный контактный теплосъемный элемент. Указанный выше выбор теплоносителя обоснован рядом критериев его применимости на локомотиве (теплофизические и физико-механические свойства, безопасность, удобство эксплуатации, экономическая эффективность). Также указаны альтернативные теплоносители, которые рекомендуется использовать при температурах окружающей среды, выходящих за границы применения воды.

Выполненная экспериментальная проверка подтвердила адекватность предложенных математических моделей и расчетных зависимостей, а также целесообразность использования принудительного охлаждения фрикционных элементов дискового тормоза подвижного состава при помощи разработанной системы активного жидкостно-воздушного охлаждения, построенной на базе рекуперативного теплообменного аппарата.

Ключевые слова: дисковый тормоз локомотива, коэффициент трения, сложный теплообмен, рекуперативная система охлаждения.

Summary

Biloborodova I.M. "Improvement of brake descriptions of rolling stock of railways due to the forced cooling of disk brake working elements ". - Manuscript.

Dissertation for scientific degree of candidate of engineering sciences on speciality 05.22.07 - Rolling stock of railways and traction of trains. - Volodymyr Dahl East Ukrainian National University. Lugansk 2010.

Dissertation is devoted to the questions of levelling of temperature influence which is generated in the area of contact of working friction elements of disk brake, on the brake description of rolling stock of railways. First it is related to diminishing of friction coefficient dependence from the temperature.

The decision of the assigned task is based on the use of the obtained mathematical models of processes of friction co-operation and difficult heat exchange between the elements of disk brake at braking in the conditions of the forced dosed cooling of its elements. It allowed to develop the system of active liquid-air cooling of disk brake of rolling stock, that is built on the base of recuperative heat-exchange vehicle, which can use technical water in quality of coolant, or liquid that is near to it after heating engineering descriptions.

Accomplished experimental verification confirmed the adequacy of the offered mathematical models and calculation dependences, and also expedience of the use of the forced cooling of friction elements of disk brake of rolling stock, in particular by the developed system of the active cooling.

Key words: disk brake of locomotive, friction coefficient, difficult heat exchange, cooling recuperative system.

1. Загальна характеристика роботи

Вступ. Зростання швидкості руху потягів на залізниці призвело до загострення проблеми гальмування рухомого складу, що пояснюється значним збільшенням кінетичної енергії, яка при гальмуванні впливає на підвищення температури фрикційних елементів гальма. Як показали дослідження та досвід експлуатації, підвищення температури гальмових елементів є причиною нестабільності коефіцієнта тертя фрикційного гальма, що потенційно знижує гальмові характеристики рухомого складу взагалі та в багатьох випадках приводить до аварійних подій на залізниці.

Актуальність теми. Гальмові засоби сучасних високошвидкісних потягів досягають питомої енергоємності до 40 МДж. При поглинанні такої кількості енергії при гальмуванні розігрів фрикційних елементів становить 800-900 С, що обумовлює нестабільність характеристик дискового гальма і у підсумку знижує експлуатаційні характеристики рухомого складу, пов'язані з необхідністю дотримання встановленого гальмового шляху та графіків руху потягів.

Проблема залежності коефіцієнта тертя дискового гальма від температури вирішується за різними напрямами: удосконалення конструкції гальма і системи його керування, створення нових принципів гальмування, розробка алгоритмів одночасного керування різними гальмовими системами, розробка нових матеріалів для гальмових елементів, підвищення ефективності їхнього використання та ін.

Разом з цим, природним чинником впливу на коефіцієнт тертя є охолодження робочих фрикційних елементів дискового гальма, завдяки чому виникає можливість суттєво знизити його залежність від температури. Існуючі конструкції реалізують принцип охолодження робочих елементів, який має за мету додаткове спрямування повітряних потоків на більш термічно напружені поверхні при обертанні гальмових дисків, але ефективність цих заходів не задовільна, адже за допомогою них можна відвести із зони тертя лише до 10% тепла.

Більш ефективним є примусове охолодження робочих елементів фрикційного гальма за рахунок рідини, яка є теплоносієм і спроможна вивести із зони тертя в навколишнє середовище достатню кількість тепла (до 50%), що істотно стабілізує коефіцієнт тертя.

Але при цьому виникають технічні проблеми, які пояснюються високим рівнем температури робочих елементів фрикційного гальма і обмеженістю простору для монтажу охолоджувального обладнання. Крім цього, певною проблемою є пожежонебезпечність і відносно невисока теплоємність теплоносіїв, які в таких умовах є можливим використовувати на практиці.

Вирішення означених завдань дозволить створити систему примусового охолодження дискового гальма, що забезпечить ефективні характеристики процесу охолодження, буде мати прийнятні масогабаритні показники та істотно зменшить залежність коефіцієнта тертя від температури, яка генерується в зоні контакту робочих елементів при гальмуванні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темам. Проведені в дисертації дослідження виконані у відповідності до науково-дослідних робіт ДН-29-06 "Розробка теорії фізико-хімічних процесів тертя при силовому контакті в процесах кочення й ковзання" (№ держ. реєстрації 0106U00289), ДН-32-03 "Створення перспективних конструкцій засобів рейкового транспорту і обґрунтування їх ефективності на підставі модульної інформаційної системи" (№ держ. реєстрації 01031U00422).

Мета і завдання дослідження. Нівелювання впливу температури, що генерується в зоні контакту робочих елементів дискового гальма, на гальмові характеристики рухомого складу залізниць.

Для досягнення поставленої мети сформульовані такі завдання:

1. Аналіз досліджень в галузі фрикційної та теплової взаємодії в системах механічного гальмування тягового рухомого складу залізниць, а також існуючих засобів та пристроїв для їхнього активного охолодження.

2. Математичне моделювання процесів фрикційної взаємодії та контактного теплообміну між елементами дискового гальма при гальмуванні в умовах примусового охолодження його елементів.

3. Розробка математичної моделі системи охолодження дискового гальма рухомого складу, побудованої на базі рекуперативного рідинно-повітряного теплообмінного апарату.

4. Експериментальне підтвердження отриманих теоретичних результатів щодо силової взаємодії та контактного теплообміну між елементами дискового гальма.

5. Розробка принципів та конструкції дискового гальма, в якому реалізоване примусове охолодження його робочих елементів у відповідності до критеріїв поглинання енергії, мінімізації габаритів та використання технічної води в якості охолоджувальної рідини.

6. Оцінка ефективності впливу примусового охолодження елементів дискового гальма на гальмівні характеристики рухомого складу.

7. Розробка системи активного рідинно-повітряного охолодження дискового гальма рухомого складу, лабораторні, стендові випробування та конструкторсько-технологічна адаптація системи до умов експлуатації на залізниці.

8. Аналіз існуючих рідин, що мають можливість переносити тепло, за критеріями відповідності умовам експлуатації дискового гальма на залізниці.

9. Патентування розробленої конструкції системи активного рідинно-повітряного охолодження дискового гальма.

Методи дослідження. Вирішення сформульованих у роботі задач здійснювалось на основі математичного моделювання процесів фрикційної взаємодії та складного теплообміну між робочими елементами дискового гальма при гальмуванні рухомого складу, використанням теорії теплообміну, адгезійно-деформаційної теорії, теоретичних методів тягових розрахунків, а також методів експериментального дослідження та математичної статистики обробки емпіричних даних. Адекватність запропонованих математичних моделей підтверджується задовільною розбіжністю теоретичних та експериментальних результатів у межах 15-25%, в залежності від умов проведення експериментів.

Об'єкт дослідження: теплофізичні і фізико-механічні процеси в зоні контакту елементів дискового гальма рухомого складу, під час гальмування, в умовах використання примусового рідинно-повітряного охолодження.

Предмет дослідження: закономірності фрикційної і теплової взаємодії елементів дискового гальма рухомого складу в умовах примусового відводу частини теплової енергії, що генерується, та взаємозв'язок з характеристиками гальмування рухомого складу.

Наукова новизна отриманих результатів:

· вперше запропонована методика розрахунку температури зони контакту фрикційних елементів дискового гальма в умовах використання примусового рідинно-повітряного охолодження робочих поверхонь, яка враховує вплив на складний теплообмін спільної дії обертання та поступального переміщення фрикційних елементів;

· вперше запропонована математична модель, яка встановлює взаємозв'язок між температурою робочих елементів дискового гальма, що генерується при гальмуванні та номінальною площею поверхні контакту теплознімного елемента з гальмовим диском, зусиллям його притиску і витратою охолоджуючої рідини;

· одержала подальший розвиток залежність для розрахунку коефіцієнта тертя елементів дискового гальма, яка враховує вплив температури, що генерується в зоні контакту, в умовах примусового охолодження робочих фрикційних елементів;

· одержав подальший розвиток метод підвищення коефіцієнта тертя елементів дискового гальма за рахунок їх дозованого примусового охолодження.

Практична цінність отриманих результатів:

· запропонована методика розрахунку температури, яка генерується в зоні контакту елементів дискового гальма, дозволяє прогнозувати рівень робочої температури в залежності від кількості кінетичної енергії потягу та з урахуванням спільного впливу на теплообмін обертального та поступального переміщення робочих елементів дискового гальма;

· запропонована залежність для розрахунку коефіцієнта тертя елементів дискового гальма, дозволяє оцінювати гальмівні характеристики з урахуванням впливу температури, що генерується в зоні контакту, та додаткового тепловідводу, обумовленого примусовим охолодженням робочих елементів дискового гальма;

· запропонований теплознімний елемент дав можливість впровадити примусове охолодження дискового гальма рухомого складу, забезпечити дозований відвід тепла із зони контакту та використовувати технічну воду в якості теплоносія;

· запропонована математична модель, що встановлює взаємозв'язок між температурою робочих елементів дискового гальма, яка генерується при гальмуванні, та номінальною площею поверхні контакту теплознімного елемента з гальмовим диском, зусиллям його притиску і витратою охолоджуючої рідини дозволяє на стадії проектування оцінити конструктивні габарити теплознімного елемента, що забезпечать відвід необхідної кількості тепла із зони фрикційного контакту, а також дозволяє здійснювати необхідну корекцію термічного контакту сполучення гальмовий диск - теплознімний елемент із метою оптимального функціонування системи активного охолодження дискового гальма локомотива;

· розроблена система активного охолодження дискового гальма рухомого складу залізниць дозволяє нівелювати вплив температури на процеси у зоні контакту фрикційних робочих елементів та стабілізувати гальмові характеристики рухомого складу;

· розроблені в дисертації методики, залежності і рекомендації щодо стабілізації гальмових характеристик рухомого складу залізниць прийняті на ХК "Луганськтепловоз".

Особистий внесок здобувача:

· проведено оцінку параметрів системи охолодження дискового гальма локомотива, яка довела теоретичну можливість використання активного примусового охолодження для умов експлуатації рухомого складу залізниць [1, 3, 11];

· розроблена математична модель для визначення коефіцієнта тепловіддачі дискового гальма локомотиву з урахуванням спільного впливу на конвекційну тепловіддачу обертального та поступального руху елементів дискового гальма [2, 5];

· розроблена математична модель складного теплообміну між елементами дискового гальма локомотива і зовнішнім середовищем, в умовах примусового охолодження робочих фрикційних елементів [6-7];

· на підставі розроблених критеріїв виповнено аналіз існуючих теплоносіїв за умови їхнього використання у системі активного охолодження дискового гальма локомотива [4];

· виповнено експериментальні дослідження впливу на ефективність механічного гальмування примусового відводу тепла із зони фрикційного контакту [9];

· розроблено систему активного охолодження дискового гальма локомотива [10].

Апробація результатів дисертації. Дисертаційна робота доповідалась, обговорювалась і була схвалена на розширеному науковому семінарі кафедри "Гідрогазодинаміка" СНУ ім. В. Даля, на 69-й Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту" (Дніпропетровськ, 2009), на XIХ (2009 р.) та ХХ (2010 р.) Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми розвитку рейкового транспорту" (Крим, м. Алушта), а також на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (2008-2010 рр.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 наукових праць, у тому числі 9 статей, 1 патент на винахід і 1 теза доповіді на науково-технічній конференції.

Структура і обсяг дисертації. Повний обсяг дисертаційної роботи складає 177 сторінок, у тому числі 145 сторінок основного тексту, 12 сторінок списку використаних літературних джерел (137 найменувань), 10 повних сторінок з ілюстраціями і таблицями (8 ілюстрацій і 1 таблиця), 3 додатка на 20 сторінках.

2. Основний зміст

У вступі обґрунтована актуальність тематики дослідження, показані основні напрями вирішення завдань, сформульована мета, вибрано об'єкт та предмет дослідження, констатується наукова новизна і практична цінність роботи, наведені дані про впровадження результатів дисертації.

Перший розділ присвячено аналізу наукових праць зі створення нових та удосконалення існуючих фрикційних систем гальмування рухомого складу залізниць, визначені найбільш актуальні завдання з цих напрямів. Проведено аналіз теоретичного підґрунтя, яке адекватно описує процеси у зоні взаємодії робочих фрикційних елементів дискового гальма та на підставі якого є можливим відобразити особливості взаємозв'язку характеристик тертя елементів дискового гальма та характеристик температурного навантаження робочої зони. Розглянуто існуючі способи активного охолодження за допомогою систем примусового теплообміну та методи їхнього теоретичного розрахунку.

Значний внесок у вирішення проблеми тягово-гальмових характеристик рухомого складу залізниць зробили такі вчені: А.І. Бєляєв, Є.П. Блохін, І.П. Ісаєв, О.Л. Голубенко, М.І Горбунов, В.Г. Іноземцев, О.М. Коняєв, М.Л. Коротенко, С.В. Мямлін, Ю.І. Осенін, А.П. Павленко, С.Ю. Петров, В.М. Старченко, Е.Д. Тартаковський, В.П. Ткаченко та інші.

Існуючі дослідження вказують, що ефективність гальмової системи рухомого складу залізниць визначається умовами, за яких сила тертя в зоні контакту робочих елементів фрикційного дискового гальма не перевищує (або, як мінімум, дорівнюється) силі тертя в зоні контакту колеса з рейкою. В цьому напрямі проводиться багато досліджень, які мають за мету забезпечення означеної залежності на практиці.

Це є необхідною, але недостатньою умовою забезпечення стабільно високих гальмових характеристик рухомого складу. Інша умова полягає в забезпеченні стабільних значень коефіцієнта тертя елементів дискового гальма.

Як показали дослідження, головним чинником впливу на коефіцієнт тертя є температура, що генерується під час перетворення кінетичної енергії потягу у теплову при гальмуванні і забезпечується за умови відповідності потрібної енергоємності гальма. Цей показник має тенденцію до зростання у зв'язку з ростом рівня швидкості руху потягів на залізниці. Якщо у 1990 році енергоємність гальма була на межі 11 МДж на одиничний гальмовий диск, у 2000 році - 15-22 МДж, то в цей час існують конструкції гальма, які розраховуються на 28-40 МДж. А в перспективі потрібні дискові гальма, які спроможні забезпечити поглинання (перетворення) 100 МДж енергії.

Температура є інтегральною характеристикою впливу на стабільність коефіцієнта тертя фрикційних робочих елементів дискового гальма і обумовлюється конструктивними особливостями гальма, фізико-механічними та теплотехнічними властивостями матеріалів гальмової колодки та диска, силовими і швидкісними характеристики їхньої взаємодії та кліматичними і погодними факторами.

Відвід теплової енергії із зони фрикційного контакту елементів дискового гальма сприяє підвищенню стабільності гальмівних характеристик дискового гальма. Технічна реалізація означеного методу значно ускладнюється загальними вимогами до транспортного засобу, яким є рухомий склад, і обумовлена високим рівнем температури робочих елементів фрикційного гальма, обмеженістю простору для монтажу охолоджувального обладнання, а також пожежонебезпечністю і невисокою теплоємністю теплоносіїв, які потенційно придатні для використання на практиці.

Зазначене завдання можливо виконати тільки на основі нових науково-технічних рішень в галузі гальмового обладнання, що дозволять створити систему примусового охолодження дискового гальма, яка забезпечить ефективні характеристики процесу охолодження, буде мати прийнятні масо-габаритні і протипожежні показники та істотно зменшить залежність коефіцієнта тертя від температури, що генерується в зоні контакту робочих елементів при гальмуванні.

Другий розділ присвячений математичному моделюванню процесу нестаціонарного складного теплообміну між елементами фрикційного гальма (як дискового, так і колодкового) і з навколишнім середовищем. Під складним теплообміном розуміється одночасна спільна дія всіх трьох основних механізмів поширення тепла - теплопровідності, конвекції та випромінювання.

Розроблена математична модель, що дозволяє вирішити пряму задачу теплообміну стосовно до фрикційного гальма локомотива. В основу моделі покладене рівняння Фур'є - Кірхгофа (1) в тривимірній ортогональній системі координат без внутрішніх джерел теплоти з урахуванням конвекційної зміни температури (її розрахункова схема наведена на рис. 1).

Модель дозволяє визначати температури розглянутих поверхонь фрикційного гальма (як середньоінтегральні, так і локальні), а також теплові потоки, що проходять через зазначені поверхні в процесі гальмування.

Розглядається випадок використання у якості фрикційного гальма - дискового, однак дана модель за незначних корективах може бути застосована і для колодкового гальма.

Використовувані у розрахунках основні теплофізичні і фізичні властивості матеріалів та середовищ розглядаються як функції температури. Генерація теплової енергії при гальмуванні, а також активне охолодження елементів фрикційного гальма моделюються поверхневими джерелами і стоками тепла відповідно. У якості стоків тепла використовуються оригінальні теплознімні елементи, які більш детально розглянуто нижче.

(1)

де m - питома маса;

t - поточне значення часу у процесі гальмування;

срm - питома ізобарна теплоємність;

m - коефіцієнт теплопровідності;

T - абсолютна температура (T = f(x,y,z,t), х,y,z - ортогональні координати);

vx, vy, vz - проекції вектораV лінійної швидкості руху точці зовнішньої поверхні з координатами x, y, z, на відповідні координатні осі.

гальмування тяговий залізниця охолодження

Рис. 1. Розрахункова схема фрикційного (дискового) гальма локомотиву: 1, 4 - зовнішні поверхні гальмових накладок; 2, 3 - зовнішні поверхні гальмового диска; 6, 7 - зовнішні поверхні теплознімного елемента; 5, 8 - поверхні контакту гальмового диску з накладками і теплознімними елементами відповідно

На схемі (рис. 1) прийнято такі позначки: , d1,2 - товщина гальмового диска, накладки та теплознімного елемента відповідно; R, Rк - радіус тормозного диска та колеса локомотива відповідно; r0, rt - середній радіус тертя накладки і теплознімного елемента відповідно; V0 - швидкість зустрічного повітря; Ta - середня температура повітря на віддаленні від гальмового диска; Vd - поточна швидкість локомотива; w - кутова швидкість обертання гальмового диска; а* - уповільнення при гальмуванні; - кутове прискорення гальмового диска при гальмуванні.

Фізичні та теплофізичні характеристики, що входять у рівняння (1), належать до матеріалів гальмового диска, накладок і теплознімних елементів.

Для поверхонь 1-4, 6, 7 (рис. 1) використовуються граничні умови 3-го роду (комбінація конвекційного та променевого теплообміну без внутрішніх джерел теплоти):

(2)

де m - коефіцієнт теплопровідності;

- коефіцієнт тепловіддачі між відповідною поверхнею і атмосферним повітрям;

- ступінь чорноти поверхні (коефіцієнт випромінювання);

- постійна Стефана-Больцмана;

n - одиничний вектор (нормаль до границі досліджуваної зони).

Тут і далі індекс "s" вказує на те, що дана величина віднесена до зовнішньої поверхні.

Для поверхонь 5 і 8 (зони ковзного контакту гальмового диска з накладкою та теплознімним елементом відповідно) використовуються граничні умови 4-го роду з поверхневим джерелом теплоти:

,

де q - питомий тепловий потік, що генерується при ковзному контакті гальмового диска з накладкою (знак "+"), або що знімається теплознімним елементом (знак "-"). Тут і далі індекс "1" належить до гальмового диска, індекс "2" - до накладки або теплознімного елемента.

де m - тормозна маса;

nn - кількість гальмових накладок, що беруть участь у гальмуванні;

r - радіус-вектор, що описує зону контакту диска з накладкою (теплознімним елементом), де x,y - поточні координати точки на поверхні S;

w* - кутова швидкість обертання диска, що передує гальмуванню ( > 0);

, - час гальмування (інтервал часу з моменту початку гальмування до досягнення локомотивом кінцевої швидкості руху).

Тут Vк - кінцева швидкість руху локомотива (а* > 0), V* - швидкість локомотива, що передує гальмуванню.

Інші (не позначені на рис. 1) поверхні вважаються теплоізольованими.

Найважливішою характеристикою конвекційного теплообміну зовнішніх поверхонь елементів фрикційного гальма з навколишнім середовищем (атмосферним повітрям) є коефіцієнт тепловіддачі, що входить до рівняння (2). Особливістю даного випадку є те, що змушена конвекція обумовлена не тільки потоком повітря, що подовжньо обдуває диск, але і обертанням диска. Причому, як показує аналіз, ці фактори роблять приблизно однаковий вплив на процес змушеної конвекції. Тому коефіцієнт тепловіддачі визначається з таких міркувань. Використання швидкості повітряного потоку, що набігає на гальмовий диск (з урахуванням швидкості зустрічного вітру і обертання диска), у якості характеристики тепловіддачі в процесі гальмування дозволяє розглядати тепловіддачу як стадії конвекційного теплообміну, що послідовно змінюють одна одну: змушена конвекція, спільна дія природної та змушеної конвекції, природна конвекція. У якості критерію встановлення того або іншого виду конвекційної тепловіддачі використовується значення безрозмірного параметра Gr/Re2 (див. рис. 2).

Рис. 2. До визначення виду конвекційного теплообміну

Критерії, що визначають конвекційну тепловіддачу, знаходять в такій спосіб. Числа Рейнольдса, які обумовлені обертанням гальмового диску (Re) і його обдуванням зустрічним потоком повітря (Rea):

(3)

де - кінематична в'язкість повітря;

- поточна швидкість повітряного потоку, що набігає на гальмовий диск.

Числа Грасгофа, Прандтля та Нусельта для повітря:

(4)

де - коефіцієнт об'ємного розширення повітря;

- коефіцієнт теплопровідності повітря;

ср - питома ізобарна теплоємність повітря;

- динамічна в'язкість повітря;

- коефіцієнт тепловіддачі поверхні гальмового диска.

Для визначення величини коефіцієнта тепловіддачі пропонуються такі критеріальні рівняння:

(5)

Для першого рівняння системи (5) числа подібності Re та Gr знаходяться таким чином:

Стосовно інших рівнянь системи (5) вказані числа подібності визначаються за виразами (3) - (4).

Наступним важливим питанням при математичному моделюванні складного теплообміну між елементами гальмової системи є визначення співвідношення теплових потоків, що передаються при контактному теплообміні взаємодіючих поверхонь, наприклад, сполучення гальмовий диск - теплознімний елемент. Оскільки саме термічний опір контакту, обумовлений недосконалістю механічного з'єднання сполучених поверхонь, значно впливає на взаємозв'язок між переданими через з'єднання тепловими потоками і різницею температур на взаємодіючих поверхнях.

Для відповіді на це питання отримана математична модель, яка дозволяє визначати контактний термічний опір для поверхонь елементів механічного гальма, що перебувають у фрикційній взаємодії. Під термічним опором контакту тут розуміється величина: Rc = T / q, тут Т - перепад середніх температур контактуючих поверхонь; q - щільність теплового потоку, переданого при контактному теплообміні.

Загальний термічний опір контакту Rc представляється у вигляді суми, яку пояснює схема, показана на рис. 3:

(6)

де Rc1,2 - термічний опір, обумовлений стягуванням ліній теплового потоку до плям фактичного контакту;

Rf1,2 - термічні опори окісних плівок взаємодіючих поверхонь;

Rmc - термічний опір середовища, що заповнює міжконтактні зазори;

Рис. 3. Еквівалентна схема термічного опору контакту

Rr - термічний опір потоку тепла, що передається за допомогою випромінювання через міжконтактні зазори;

Rb1,2 - термічний опір матеріалів взаємодіючих поверхонь.

Складові рівняння (6) визначаються у такій спосіб:



де l1,2 - коефіцієнти теплопровідності матеріалів взаємодіючих поверхонь;

Pn - номінальний контактний тиск;

1,2 - середня висота виступів мікронерівностей в зоні контакту сполучених поверхонь;

М1,2 - середній кут нахилу твірної конуса мікронерівностей взаємодіючих поверхонь;

с1,2 - коефіцієнти мікротвердості по Вікерсу для взаємодіючих поверхонь;

m - теплопровідність середовища у міжконтактних зазорах;

1,2 - коефіцієнти акомодації на границях взаємодіючих поверхонь з міжконтактним середовищем;

Н - середня поверхнева мікротвердість;

g - ступінь тепла (статистичний коефіцієнт);

Pr - число Прандтля, що визначається для середовища в зазорах по середній температурі сполучених поверхонь;

L0 - середній пробіг молекули середовища у міжконтактному зазорі з тиском P0 і температурою Т0;

T1,2 - середні температури контактуючих поверхонь;

C0 - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла;

e1,2 - ступінь чорноти взаємодіючих поверхонь.

Рис. 4. Тепловий потік у зоні контакту як функція термічного контактного опору і перепаду середніх температур контактуючих поверхонь

Зразок впливу контактного термічного опору на величину теплового потоку, що проходить через взаємодіючі поверхні фрикційної пари: гальмовий диск - теплознімний елемент, показано на рис. 4. (Номінальна площа контакту становить 0,126 м2, взаємодіючі поверхні шорсткуваті, але не хвилясті.

Параметри шорсткості: 1 = 210-6 м, 2 = 510-6 м, M 0,05. Початкові значення величин (що відповідають нормальним умовам), які використовуються у розрахунках: 1 = 35 Вт/(мК), 2 = 398 Вт/(мК), m = 0,04 Вт/(мК); Pr = 0,7; Н = 8,2061011 Па; = 0,3, = 0,7; = 1; = 0,5, = 0,6).

Математичні моделі, що розглянуто вище, у своїй сукупності дозволяють моделювати процес складного теплообміну, що протікає при фрикційному гальмуванні локомотива, здійснюваного за допомогою дискового або колодкового гальма.

При цьому у якості початкових умов використовуються значення температур елементів гальмової системи, а також швидкість руху локомотива і повітряного потоку в момент часу, що передує гальмуванню.

Для моделювання роботи рекуперативного теплообмінного апарата у складі системи активного охолодження дискового гальма локомотива використовувалась математична модель, побудована на основі рівняння теплового балансу:

(7)

де Q1,2 - кількість теплоти, віддана гарячим (охолоджуюча рідина) і сприйнята холодним теплоносієм (атмосферне повітря) відповідно;

Q - втрати теплоти в навколишнє середовище;

t - середньоінтегральна різниця температур теплоносіїв по довжині теплообмінника;

t1, t1 - температури гарячого теплоносія на вході і виході з теплообмінника відповідно;

t2, t2 - температури холодного теплоносія на вході і виході з теплообмінника відповідно;

k - сумарний (повний) коефіцієнт теплопередачі теплообмінника;

F - ефективна площа поверхні теплообміну;

W1,2 - водяний еквівалент для гарячого і холодного теплоносіїв відповідно.

Система рівнянь (7) побудована для випадку перехресної схеми руху теплоносіїв.

Наведені вище математичні моделі відрізняються від існуючих тим, що дозволяють враховувати вплив на конвекційний теплообмін спільної дії обертання гальмового диска навколо своєї осі і його лінійного переміщення, а також впливу примусового відводу частини теплової енергії, що генерується при гальмуванні, на весь процес складного теплообміну між елементами фрикційного гальма локомотива та навколишнім середовищем у цілому.

У третьому розділі представлено результати експериментальних досліджень впливу примусового відводу частки тепла, що генерується при гальмуванні, на коефіцієнта тертя сполучення диск-накладка та середньоінтегральну температуру взаємодіючих поверхонь. Дослідження виконані з метою перевірки адекватності запропонованих математичних моделей реальному процесові, а також для визначення впливу примусового охолодження на ефективність фрикційного гальмування у цілому.

У дослідах в якості теплоносія використовувалася технічна вода. Цей вибір обґрунтований на основі низки критеріїв застосовності цього теплоносія на локомотиві (теплофізичні та фізико-механічні властивості, безпека, зручність експлуатації, економічна ефективність). Також визначені альтернативні теплоносії, які рекомендується використовувати при температурах навколишнього середовища нижче -2 С (температурна границя застосування води). Це теплоносії на основі пропиленгликолю (С3Н6(ОН)2, у діапазоні робочих температур від -2 до -20 С) та ацетатні теплоносії (CH3COOK за температурою нижче -20 С).

Для охолодження теплоносія пропонується використовувати рекуперативний рідинно-повітряний теплообмінний апарат з примусовою циркуляцією теплоносія.

Експериментальні дослідження процесу гальмування проводилися за допомогою лабораторного натурного тормозного стенда. Стенд дозволяє акумулювати кінетичну енергію, фіксувати частоту обертання і тривалість роботи привода та реєструвати такі вихідні параметри гальма і привода, як: гальмовий момент, зусилля гальмової тяги, час гальмування, температура поверхонь тертя.

В конструкції стенда був передбачений елемент, призначення якого полягає у відводі тепла з зони контакту диска та колодки. Він представляє собою ємність, розміри якої обумовлені розрахунковою кількістю тепла, яке потрібно відвести з робочої зони. Ємність з'єднана з теплообмінником. У якості теплообмінника використалася охолоджувальна секція тепловоза 2ТЕ116 (ефективна площа теплообміну становить 52 м²), що охолоджувалась за допомогою осьового вентилятора ВОК-4,0 (з максимальною продуктивністю 4500 м³/год.). Максимальна витрата теплоносія (води) становила 0,9 м³/год. Зусилля притиснення теплознімного елемента до фрикційного диска (у цьому випадку до гальмового шківа діаметром 200 мм) контролювалося зразковим динамометром.

На рис. 5 представлено експериментальні значення коефіцієнта тертя та температури фрикційних поверхонь гальма у процесі гальмування при різних режимах роботи системи охолодження. Наведені результати відповідають найбільш навантаженому випадку, що був реалізований у процесі експерименту (зусилля притиску однієї колодки 1500 Н).

Початкова швидкість обертання гальмового шківа відповідала лінійній швидкості руху 60 км/год. Величина лінійного уповільнення при гальмуванні становила 1 м/с². Експериментальні значення, наведені на графіку, отримані шляхом осереднення серії паралельних вимірів, повторюваних 4 рази.

Границі довірчих інтервалів відповідають довірчій імовірності 0,95. Для поліпшення сприйняття інформації на графіках рис. 5, б побудовані тільки половини симетричних довірчих інтервалів.

Рис. 5. Коефіцієнт тертя (а) та середнєоб'ємна температура (б) фрикційно взаємодіючих поверхонь в процесі гальмування

Аналіз отриманих експериментальних даних дозволяє зробити висновок про позитивний вплив запропонованого способу активного охолодження фрикційного гальма на ефективність гальмування. Так, коефіцієнт тертя при використанні даної системи у розглянутому вище випадку приблизно на 30% більше, ніж без її використання (у випадку, коли теоретичне значення тепла, що відводить при гальмуванні, становить близько 50%). Середньооб'ємна температура поверхонь, що знаходяться у фрикційної взаємодії, при цьому нижче у середньому на 15%, у порівнянні з випадком, коли не використовується система охолодження.

Показано, що використовуючи у якості теплоносія воду або близьку до неї за теплофізичними властивостями рідину (з максимальною температурою 90С), яку охолоджують атмосферним повітрям (при початковій його температурі 25С), для розсіювання 100 кВт (близько 50% теплової енергії, що генерує дискове гальмо при гальмуванні з початковою швидкістю 120 км/год до повної зупинки) теплової енергії необхідна площа поверхні теплообміну для випадку противотечної і перехресної схем руху теплоносіїв: 100-420 м².

У результаті констатується, що відвід теплової енергії, яка генерується при гальмуванні дисковим гальмом локомотива, цілком можливий (з теплотехнічних позицій) за рахунок системи активного рідинно-повітряного охолодження.

Зроблено висновок про адекватність запропонованих математичних моделей. Розбіжність теоретичних і експериментальних даних перебуває в межах 15-25%, що для такого класу задач є задовільним.

Четвертий розділ присвячено розробці системи активного охолодження дискового гальма локомотиву. Її принципова схема показана на рис. 6.



Рис. 6. Принципова схема системи активного охолодження дискового гальма локомотиву, що побудована на базі рекуперативного рідинно-повітряного теплообмінного апарату

Система охолодження функціонує у такій спосіб: тепло, що генерується у контакті гальмового диска 1 з накладками 2, відводиться від зовнішньої поверхні гальмового диска за допомогою теплознімних елементів 3, які мають систему внутрішніх каналів, по яких циркулює теплопередаюча рідина (теплоносій). Їхній контакт із поверхнею гальмового диска забезпечується (і регулюється) пружними елементами 4. Транспортування і охолодження теплоносія здійснюється за допомогою насоса 5, системи трубопроводів 6 і рекуперативного рідинно-повітряного теплообмінного апарата 7. Для компенсації температурної зміни об'єму теплоносія служить розширювальний бак 8.

У порівнянні з існуючими аналогами система охолодження дозволяє відводити значну кількість теплової енергії, що генерується при гальмуванні, стабілізуючи, тим самим, коефіцієнт тертя фрикційних елементів гальма і збільшуючи його гальмову потужність.

Так, згідно з теоретичними оцінками, відвід, наприклад, 50 кВт (це становить приблизно 25% від загальної кількості теплової енергії, що генерує гальмовий диск при гальмуванні з початковою швидкістю 120 км/год. до повної зупинки), може бути забезпечено рідинно-повітряним теплообмінником з габаритами: 340875925 мм (ефективна площа поверхні 82 м², середній коефіцієнт теплопередачі 38 Вт/(м²К), маса порожнього 90 кг) при використанні вентилятора з продуктивністю 4750 м³/год. і витратою гарячого теплоносія (води) 1,02 м³/год. Можливі й більш компактні рішення.

Конструкторсько-технологічна адаптація розробленого дискового гальма здійснена, стосовно до існуючих конструкцій рухомого складу залізниць.

Висновки

В роботі вирішена актуальна задача сучасного залізничного транспорту, пов'язана зі стабілізацією гальмівних характеристик рухомого складу за рахунок нівелювання впливу температури на коефіцієнт тертя дискового гальма завдяки примусовому рідинно-повітряному охолодженню його робочих елементів. Оригінальність запропонованих принципів дозованого відводу тепла з робочої зони зробила можливим реалізацію примусового охолодження робочих елементів дискового гальма рухомого складу та використання в системі охолодження технічної води, яка задовольняє існуючим вимогам за критеріями економічності, пожежонебезпечності та теплоємності.

1. Розроблено методику розрахунку температури робочих елементів дискового гальма в умовах використання примусового рідинно-повітряного охолодження, яка дозволяє прогнозувати рівень температури в залежності від кількості кінетичної енергії потягу, впливу на теплообмін спільної дії обертання та поступального переміщення робочих елементів, а також конструктивних особливостей дискового гальма.

2. Запропоновано залежність для розрахунку коефіцієнта тертя фрикційних елементів дискового гальма в умовах примусового охолодження його робочих елементів, яка дозволяє оцінювати гальмові характеристики з урахуванням впливу температури, що генерується в зоні контакту.

3. Запропоновано принципи конструювання гальмової системи рухомого складу залізниць з примусовим рідинно-повітряним охолодженням її робочих елементів, які полягають у необхідності дозованого відводу тепла із зони контакту та використанні у якості теплоносія технічної води. Кількість відведеного тепла обумовлюється масогабаритними характеристиками системи та конструктивними можливостями щодо її розміщення на конкретному рухомому складі.

4. Розроблено дискове гальмо для рухомого складу залізниць в якому реалізовано примусове рідинно-повітряне охолодження його робочих елементів. В конструкції гальма, на відміну від існуючих аналогів, використовується теплознімний елемент, який забезпечує дозований відвід тепла, що генерується в зоні контакту, при цьому теплоносієм служить технічна вода.

5. Теоретично показано, що для металевих фрикційних елементів дискової гальмової системи локомотива, діапазону теплових потоків, що проходять через сполучені поверхні, у межах 1,3-46 кВт відповідають значення контактного термічного опору 0,0011-0,0024 м²К/Вт, при контактному перепаді температур 330-350 К (56-76 С) і номінальній площі контакту 0,13 м².

6. У випадку використання в якості теплоносія технічної води або близької до неї за теплофізичними властивостями рідини з максимальною температурою експлуатації 363 К (90 С), охолоджувану атмосферним повітрям при початковій його температурі 298 К (25 С), для розсіювання 100 кВт теплової енергії (це становить близько 50% теплової енергії, що генерує одиничне дискове гальмо при гальмуванні з початковою швидкістю 120 км/год. до повної зупинки) необхідна площа поверхні теплообміну у випадку прямоточної схеми: 190-960 м² (при цьому коефіцієнт теплопередачі змінюється в межах 10-40 Вт/(м²К), витрата рідини: 210-5...510-4 м³/c, для максимальної витрати повітря: 6,0 м³/с). У випадку противотечії, а також перехресної схеми руху теплоносіїв: 100-420 м² за тих самих умов. Прямоточна схема руху теплоносіїв у цьому випадку не виправдує свого використання.

7. Теоретично показано, що відвід, від 50 до 100 кВт (відповідно 25-50% від загальної кількості теплової енергії, що генерує гальмовий диск при гальмуванні з початковою швидкістю 120 км/год до повної зупинки), може бути забезпечено рідинно-повітряним пластинчатим теплообмінником з габаритами (ВДШ): від 340875925 мм до 95013251145 (ефективна площа поверхні від 82 до 157 м² (з запасом 10%), середній коефіцієнт теплопередачі від 38 до 45 Вт/(м²К), маса порожнього від 90 до 130 кг) при використанні вентилятора з продуктивністю від 4750 до 14500 м³/год. і витратою гарячого теплоносія (води) від 1,02 до 1,34 м³/год.

8. Дискове гальмо рухомого складу залізниць дозволяє нівелювати вплив температури на процеси у зоні контакту фрикційних робочих елементів та стабілізувати гальмові характеристики рухомого складу. Конструкція гальма захищена патентом України.

9. Методики, висновки та рекомендації дисертації прийняті до впровадження "ХК "Луганськтепловоз" з метою оцінки стабільності гальмівних характеристик рухомого складу залізниць.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Білобородова І.М. Застосування механічного гальмування на залізничному рухомому складі // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. - 2008. - №7 (125) Ч .1. - С. 249-252.

2. Білобородова І.М. Оцінка здатності гальмівного диска локомотива розсіювати тепло // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. - 2008. - №8 (126) Ч.2. - С. 190-197.

3. Білобородова І.М., Осенін Ю.І., Соснов І.І. Оцінка основних теплотехнічних параметрів системи охолодження дискового гальма локомотива // Вісник Дніпропетровського нац. ун-ту залізничного транспорту ім. В. Лазаряна. - 2009. - №28. - С. 7-12.

4. Білобородова І.М., Осенін Ю.І. Вибір теплоносія системи охолодження дискового гальма локомотива // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. - 2009. - №1 Ч. 2. - С. 322-328.

5. Білобородова І.М., Соснов І.І. Коефіцієнт тепловіддачі гальмового диска локомотива // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. - 2009. - №9. - С. 219-226.

6. Білобородова І.М., Соснов І.І. Моделювання теплообміну дискового гальма локомотива з навколишнім середовищем // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту. ім. В. Даля. - 2009. - №7 Ч. 1. - C. 13-20.

7. Biloborodova I., Sosnov I., Sergienko O. On contact thermal resistance in the system of active effective cooling of the locomotive disk brake // TEKA Commission of Motorization and Agriculture. - Lublin, Polska Akademia nauk Oddzial w Lubline, 2010 - Vol.XB. - p.362-370.

8. Білобородова І.М., Осенін Ю.І., Соснов І.І. Моделювання системи охолодження дискового гальма локомотива // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. - 2010. - №3 (145). - С. 292-306.

9. Білобородова І.М., Осенін Ю.І., Соснов І.І. Експериментальне дослідження впливу на ефективність механічного гальмування примусового відводу тепла з області фрикційного контакту // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. - 2010. - №5 (147) Ч.1. - С. 163-167.

10. Білобородова І.М., Осенін Ю.І., Соснов І.І. Система охолодження дискового гальма транспортного засобу. Патент на корисну модель №48518; Заявл. 20.08.2009; Опубл. 25.03.2010, Бюл. №6. - 4 с.

11. Білобородова І.М., Осенін Ю.І., Соснов І.І. Оцінка основних теплотехнічних параметрів системи охолодження дискового гальма локомотива // Тези доповідей 69 Міжнародної науково-практичної конференції "Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту". Дніпропетровськ: ДИИТ. - 2009. С. - 5.

Размещено на Allbest.ru