Підвищення гальмівної ефективності пасажирських вагонів шляхом удосконалення процесів функціонування дискових гальм

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державне підприємство "Державний науково-дослідний центр залізничного транспорту України"

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ГАЛЬМІВНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ПАСАЖИРСЬКИХ ВАГОНІВ ШЛЯХОМ УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСІВ ФУНКЦІОНУВАННЯ ДИСКОВИХ ГАЛЬМ

Спеціальність 05.22.07 - рухомий склад залізниць та тяга поїздів

САФРОНОВ ОЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ

Київ -2010

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

гальмування вагон дисковий температурний

Вступ. Як показує світовий досвід, подальший етап розвитку залізничної техніки буде характеризуватись збільшенням маси та швидкості руху поїздів, а отже значним підвищенням вимог до автогальмівних систем рухомого складу.

Проведені багаточисельні експериментальні дослідження свідчать, що при збільшенні швидкості руху, колодкові гальма пасажирських вагонів практично вичерпали свої можливості для подальшого підвищення гальмівної ефективності та швидкості руху поїздів. Це обумовлено рядом умов, в першу чергу до яких слід віднести недопущення юзових ситуацій та неперевищення граничної потужності, що припадає на одну колодку при гальмуванні.

Актуальність теми. Основною функцією залізничного транспорту є перевезення вантажів та пасажирів при безумовному дотриманні вимог безпеки руху поїздів, збереження вантажів та комфорту пасажирів. Одним із найважливіших факторів для подальшого підвищення швидкості руху пасажирських поїздів є надійність та ефективність гальмівних систем вагонів, до таких систем в першу чергу слід віднести дискові гальма.

Результати експлуатації пасажирських вагонів з дисковим гальмом свідчать про наявність окремих недоліків. Відсутність обґрунтованих та досконалих методів і наукових підходів до розрахунків деталей дискових гальм не дозволяє на етапі проектування виявити особливості взаємодії дисків з накладками, впливу процесів та режимів гальмування на їх теплову навантаженість та строк служби. Це визначило необхідність проведення досліджень характеристик процесів гальмування пасажирських вагонів з дисковими гальмами, ефективності їх функціонування і тому ці дослідження слід вважати актуальними. Вони дозволять вибрати раціональні режими гальмування, параметри деталей дискового гальма та посприяють вирішенню завдань, які стоять перед залізничним транспортом в частині забезпечення пасажирських перевезень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами

Дисертаційна робота виконана на кафедрі «Вагони» Державного економіко-технологічного університету транспорту в період 2007-2010 рр. відповідно до „Комплексної програми оновлення залізничного рухомого складу України на 2008 - 2020 роки”, Постанови Кабінету Міністрів № 703 від 11 жовтня 1994 р. «Про організацію виробництва пасажирських вагонів», доручення Президента України від 7 лютого 1997 року № 456/2993-01 стосовно зменшення залежності залізниць і міського господарства від імпортних постачань пасажирського рухомого складу, Державної програми реформування залізничного транспорту на 2008-2015 рр., концепція якої схвалена розпорядженням Кабінету Міністрів України від 27 грудня 2006 року №651-р, комплексу НДР щодо реалізації завдань науково-технічної програми «Розвиток рейкового рухомого складу соціального призначення для залізничного транспорту та міського господарства», планів науково-дослідних робіт ДЕТУТ, що виконуються в рамках галузевих програм Міністерства транспорту та зв'язку України, НДР «Дослідження ефективності гальмівних систем вітчизняного рухомого складу для забезпечення швидкостей до 200 км/год з метою забезпечення сучасних вимог» (ДР№ 0110U004772, 2010 р).

Мета і завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення гальмівної ефективності пасажирських вагонів за рахунок удосконалення процесів функціонування дискових гальм пасажирських вагонів, з оцінкою впливу режимів гальмування на температуру нагрівання гальмівних дисків пасажирських вагонів.

Дисертаційна робота містить постановку та вирішення наступних задач:

аналіз існуючих методів та процедур оцінки гальмівної ефективності пасажирських вагонів;

опис процесів несталого гальмування пасажирського вагона математичною моделлю;

проведення розрахункових досліджень з оцінки гальмівної ефективності пасажирських вагонів, обладнаних дисковим гальмом;

проведення експериментальних досліджень з визначення гальмівної ефективності дискових гальм та її впливу на температурні режими роботи гальмівного диска;

розробка процедури оцінки гальмівної ефективності вагонів, обладнаних дисковим гальмом;

оцінка економічного ефекту від впровадження пасажирських вагонів з дисковим гальмом.

Об'єкт дослідження - процес функціонування дискових гальмівних систем пасажирських вагонів.

Предмет дослідження - закономірності зміни характеристик процесів гальмування пасажирських вагонів та їх вплив на температурні показники деталей дискового гальма.

Методи дослідження - в роботі використані методи математичного моделювання, теорії імовірностей та математичної статистики, експериментального дослідження гальмівних характеристик на натурних зразках дослідних вагонів з дисковою гальмівною системою, математичні статистичні обчислювальні методи обробки емпіричного числового матеріалу та побудови емпіричних залежностей випадкових величин.

Достовірність та обґрунтованість наукових положень, висновків та рекомендацій обумовлені адекватністю математичних моделей, що базуються на фундаментальних положеннях класичних наукових підходів і підтверджуються стандартними процедурами перевірки результатів досліджень на всіх етапах роботи та задовільною збіжністю теоретичних та експериментальних результатів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше розроблено та запропоновано:

процедуру визначення характеристик дискового гальма пасажирських вагонів з урахуванням заданого гальмівного шляху, яка передбачає використовувати для оцінки гальмівної ефективності питому гальмівну силу, а в якості критерію - нормовані гальмівні шляхи поїзда з колодковим гальмом. Процедура дозволяє виконувати різноманітні розрахунки для вибору характеристик гальмівної системи, які задовольняють чинним нормативним вимогам для пасажирських вагонів з колодковим гальмом;

аналітичні залежності зміни температури диска від характеристик процесів гальмування, а також розподіл температури диска під накладкою, що дозволяє отримати уточнену характеристику і особливості розподілу температур;

номограми та таблиці для визначення температури диска при екстреному пневматичному гальмуванні пасажирського вагона на ділянці колії з уклоном рівним нулю («площадці»);

таблиці та номограми гальмівних шляхів при електропневматичному і пневматичному екстреному гальмуванні пасажирського поїзда з дисковим гальмом на площадці та ухилах у діапазоні швидкостей до 160 км/год, а також додатково до 200 км/год.

Удосконалені та набули подальшого розвитку:

математична модель для визначення гальмівного шляху окремого пасажирського вагона з дисковим гальмом при екстреному пневматичному гальмуванні, яка на відміну від існуючих для вагонів з колодковим гальмом враховує час наповнення гальмівних циліндрів стисненим повітрям;

метод експериментального дослідження нагріву гальмівного диска при гальмуванні пасажирського вагона за рахунок використання створеного випробувального та програмного комплексів, які дозволяють реєструвати і виконувати обробку результатів випробувань та визначати гальмівні характеристики та температуру нагрівання диска в реальному режимі часу.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

можливості оцінки відповідності гальмівної ефективності пасажирських вагонів, обладнаних дисковим гальмом, чинним нормативним вимогам для пасажирських вагонів з колодковим гальмом;

отримані аналітичні залежності, номограми та таблиці з визначення температури диска при екстреному гальмуванні дозволяють на стадії проектування обирати раціональні параметри гальмівної системи вагона з дисковим гальмом з урахуванням неперевищення температурних показників роботи гальмівних дисків;

математична модель для визначення гальмівного шляху окремого пасажирського вагона з дисковим гальмом дає можливість отримати більш точний опис гальмівних характеристик та процесів гальмування пасажирського вагона з дисковим гальмом.

Результати проведених досліджень і матеріали дисертаційної роботи впроваджені на підприємствах: ВАТ «Крюківський вагонобудівний завод» при проектуванні та розрахунку параметрів дискового гальма пасажирського вагона, державному підприємстві «Український науково-дослідний інститут вагонобудування» при проведенні експериментальних досліджень гальмівної ефективності і при розробці методики розрахунку гальмівної ефективності вагонів з дисковим гальмом, у навчальному процесі підготовки студентів, які навчаються за освітньо-кваліфікаційними рівнями «Спеціаліст» і «Магістр» у Державному економіко-технологічному університеті транспорту.

Практичне впровадження результатів роботи підтверджується відповідними документами, що наведені у додатках дисертації.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював завдання досліджень, наукові положення, провів теоретичні та брав участь в експериментальних дослідженнях, запропонував процедуру визначення характеристик дискового гальма; побудовані таблиці, номограми та аналітичні вирази для оцінки гальмівної ефективності дискового гальма; брав участь в розробленні процедури експериментального дослідження нагріву гальмівного диска при гальмуванні та випробувального комплексу; одержав аналітичні залежності температури диска від характеристик процесів гальмування; побудовані номограми та таблиці для визначення температури диска. У працях, опублікованих у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає у наступному:

1, 5 - одержанні аналітичних залежностей температури диска від характеристик процесів гальмування; побудови номограм та таблиці для визначення температури диска, участі в отриманні експериментальних даних.

6 - участь в отриманні математичних залежностей при визначенні коефіцієнтів тертя за результатами стендових випробувань.

Статті 2, 3, 4 написані без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертації доповідались, обговорювались і отримали схвалення на:

- IV міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем в умовах реформування залізничного транспорту: управління, економіка і технології», серія «Техніка, технологія» (Київ, 2008 р.)

- международной научно-технической конференции «АСТО» «Настоящее и будущее в развитии тормозной техники. Проблемы эксплуатации и технического содержания тормозного оборудования подвижного состава в условиях существующей планово-предупредительной системы ремонта» (Москва, 2008 р.)

- VI международной научно-практической конференции «Подвижной состав XXI века, требования, идеи, проекты» (Санкт-Петербург, 2009 г.)

- 70-й Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту» (Дніпропетровськ, 2010 р.)

- V Всероссийской научно - практической конференции «Проблемы и перспективы развития вагоностроения» (Брянск, 2010 г.)

Дисертаційна робота в повному обсязі доповідалась та була схвалена на:

- міжкафедральному семінарі кафедр Державного економіко-технологічного університету транспорту: «Вагони», «Тяговий рухомий склад залізниць», «Управління процесами перевезень», «Загальне машинознавство», «Екологія та безпека життєдіяльності» за участю представників ДП «Державний науково-дослідний центр залізничного транспорту України» та кафедри «Вагони та вагонне господарство» Української державної академії залізничного транспорту (Київ, 2010 р.);

- засіданні науково-технічної ради Державного підприємства «Український науково-дослідний інститут вагонобудування» (Кременчук, 2010 р.).

Публікації. Основні положення та результати дисертації викладено в шести статтях у виданнях, які входять до переліку ВАК України, з яких три опубліковані без співавторів. Інші результати - у тезах доповідей міжнародних конференцій (7).

Структура роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та семи додатків. Основний текст дисертації викладено на 149 сторінках, в тому числі 44 таблиці, 94 рисунки, список використаних джерел складає 74 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наводиться обґрунтування обраної теми, її актуальність, показано зв'язок роботи з Державними та галузевими програмами, формулюється мета і завдання досліджень, їх наукова новизна та практичне значення, зазначаються об'єкт та предмет дослідження. Наведено дані про впровадження результатів роботи, особистий внесок автора та публікації.

У першому розділі наводиться огляд наукових публікацій за темою дисертації, проаналізовані існуючі гальмівні системи, що застосовуються в пасажирських вагонах та конструктивні особливості як гальмівних дисків, так і гальмівних накладок, проаналізовані проведені раніше випробування з визначення гальмівної ефективності вагонів, обладнаних дисковим гальмом, наведені основні положення технічних вимог до дискового гальма.

Зважаючи на досвід експлуатації дискових гальм в СРСР, де під час екстрених гальмувань з високих швидкостей спостерігались пошкодження гальмівних дисків, основною причиною яких були виникнення в диску радіальних тріщин. Вищесказане обумовило більш детальне вивчення температурних режимів в дискових гальмах, що спостерігається при гальмуванні вагонів. Дослідження показали, що диски не відповідають високим вимогам безпеки при швидкісному русі через дефекти конструктивного виконання і відсутність роботоздатного матеріалу.

Перспективи значного збільшення швидкостей руху поїздів (до 200 км/год) потребують подальшого вдосконалення гальмівних засобів рухомого складу. При підвищенні ефективності гальмування з використанням нових, більш досконалих гальмівних матеріалів, при виборі параметрів гальмівної системи і режимів її роботи необхідно враховувати ті температури, що виникають в процесі гальмування.

Проаналізовані різноманітні методи розрахунку дискових гальм при визначені ефективності та температур, що виникають при гальмуванні.

Теоретичні і експериментальні дослідження по питаннях вдосконалення

конструкції, вибору матеріалів, моделювання, розрахунку параметрів і ефективності, контактних і теплових завдань гальм проводили В.М. Казарінов, В.Г. Іноземцев, П.Т. Гребенюк, Л.А. Вуколов, В.Р. Асадченко, В.В. Крилов, Е.І. Галай, Г.В. Гнезділова, A.M. Ножевников, A.В. Чичинадзе, Е.Д. Браун, А.І. Турков, Ю.П. Федосєєв, В.Ф. Тітаренко, М.П. Александров, П.С. Анісімов А.М. Бабаєв, В.П. Ткаченко, С.С. Довганюк, П.К. Рудов, Ю.Я. Водянніков, А.П. Кіницька та інші. Дослідженню дискових гальм присвячені роботи вчених далекого зарубіжжя: Э. Саумвебера, X. Р. Елерса, Д. Вірта, Ф. Хироси, X. Накамури , П. Франца та інші.

Таким чином, аналіз попередніх досліджень дискових гальмівних систем дозволив визначити мету і задачі даного дослідження, які сформульовані вище.

У другому розділі розроблена процедура з оцінки відповідності гальмівної ефективності вагонів з дисковим гальмом існуючим нормативним вимогам, в зв'язку з тим, що відсутність нормативної бази для пасажирських поїздів з дисковим гальмом викликає значні труднощі для оцінки відповідності гальмівної ефективності вимогам безпеки руху. Така оцінка може бути виконана виходячи з рівності гальмівних шляхів поїздів з колодковим та дисковим гальмами. При цьому для визначення відповідності гальмівної ефективності дискового гальма можуть бути прийняті нормативні значення гальмівного шляху пасажирського поїзда з колодковим гальмом на площадці та уклонах.

Диференційне рівняння руху вагона при несталому гальмуванні на площадці описується відомим рівнянням:

, (1)

де - швидкість руху км/год; -час, с; - уповільнення рухомого складу під дією одиночної питомої уповільнюючої сили, (км•тс)/(кгс•год²) (для вантажних та пасажирських поїздів або вагонів рівний 120); - питомий основний опір руху, кгс/тс; - питома гальмівна сила, тс/тс; - розрахунковий коефіцієнт сили натиснення гальмівних колодок або дійсний коефіцієнт сили натиснення накладок; - коефіцієнти тертя колодок або накладок.

З наведеної формули (1) випливає, що основний вплив на гальмівну ефективність вагона має питома гальмівна сила.

Слід відмітити, що гальмівна ефективність колодкового гальма визначається одним параметром - розрахунковим коефіцієнтом сили натиснення колодок, так як розрахунковий коефіцієнт тертя є функцією тільки швидкості руху і не залежить від характеристик гальмівної системи вагона.

На відміну від колодкового, гальмівну ефективність дискового гальма пропонується визначати за питомою гальмівною силою. Необхідність оцінювання гальмівної ефективності пасажирського вагона з дисковим гальмом за питомою гальмівною силою обумовлена тим, що коефіцієнт тертя накладок зберігає постійне значення при гальмуванні.

Для дискового гальма питома гальмівна сила визначається за формулою:

, (2)

де - для навантаженого вагона, - для порожнього; - корисне навантаження, кН, (тс); - тара вагона, кН, (тс); - загальна кількість накладок на вагоні; - радіус тертя гальмівного диска, мм; - розрахунковий радіус колеса по колу кочення, мм; - дійсний коефіцієнт тертя накладки; - дійсна сила натиснення однієї накладки на диск, кН, (тс).

Пропонується нормативні значення питомої гальмівної сили дискового гальма визначати з рівності:

, (3)

де - табличне або розрахункове значення гальмівного шляху пасажирського поїзда з колодковими гальмами, що відповідає гальмівному коефіцієнту , м; - число інтервалів швидкостей; і - відповідно початкова та кінцева швидкості в прийнятому розрахунковому інтервалі швидкостей, км/год; - швидкість на початку гальмування, км/год; - час підготовки гальм до дії, приймається рівним 2 с для електропневматичного гальмування та 4 с - для пневматичного; - уповільнення рухомого складу під дією одиночної питомої уповільнюючої сили, (км•тс)/(кгс•год²); - питома гальмівна сила дискового гальма, тс/тс, (кгс/тс); - питомий основний опір руху поїзда, кгс/тс, при середній швидкості в кожному інтервалі, рівному :

, (4)

де - осьове навантаження, (тс/вісь).

Питома гальмівна сила, що відповідає заданому гальмівному шляху пасажирського поїзда, визначається за рекурентною формулою при початковому значенні :

, (5)

де i - номер ітерації.

Критерієм припинення ітераційного процесу є відхилення табличного значення гальмівного шляху від розрахункового не більше ніж на 0,1%:

. (6)

Виконані дослідження показали, що ітераційний процес є збіжним і вже на третій ітерації досягається необхідна точність.

На основі запропонованої процедури розраховані таблиці та отримані аналітичні залежності для перерахунку питомої гальмівної сили дискового гальма на гальмівні коефіцієнти пасажирського вагона з композиційними та чавунними колодками (таблиця 1).

Таблиця 1

Аналітичні залежності для перерахунку питомої гальмівної сили дискового гальма на гальмівні коефіцієнти колодкового гальма

V, км/год	Чавунні колодки	Композиційні колодки
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160

Для визначення гальмівного шляху на площадці та уклонах в залежності від величини питомої гальмівної сили побудовані номограми (рис. 1).



Рис. 1. Номограми гальмівних шляхів пасажирського поїзда з дисковими гальмами на площадці та уклонах

Вибір параметрів гальмівної системи пасажирського вагона з дисковим гальмом при заданих масі тари, корисному навантаженні, коефіцієнті тертя та гальмівному шляху при максимальній швидкості руху складається з:

за таблицями або номограмами (див. рис. 1) для заданих максимальних швидкостей руху та гальмівному шляху на площадці визначається питома гальмівна сила;

для заданого значення дійсного коефіцієнта тертя накладки визначається дійсний коефіцієнт сили натиснення накладок, приведений до поверхні кочення колеса;

за дійсним коефіцієнтом сили натиснення накладок вибираються параметри гальмівного блоку (передаточне число, ефективна площа гальмівного циліндра та інші параметри);

за формулою, що визначає дійсний коефіцієнт сили натиснення накладок на диски, уточнюється величина дійсного коефіцієнта сили натиснення накладок для порожнього та навантаженого вагона, а також питомої гальмівної сили;

виконується перевірка на єдине найменше натиснення чавунних колодок;

для отриманого значення питомої гальмівної сили визначаються гальмівні шляхи на нормованих спусках і зіставляються із допустимими;

питома гальмівна сила оцінюється на відповідність єдиному найменшому гальмівному натисненню чавунних колодок шляхом перерахунку на розрахунковий коефіцієнт сили натиснення чавунних колодок по розробленим таблицям;

виконують перевірку за недопущенням юза при гальмуванні, для цього використовуються типові формули, а також аналітичні вирази, для визначення максимально допустимої величини питомої гальмівної сили за умови недопущення юзу колеса (таблиця 2);

Таблиця 2

Аналітичні залежності для визначення максимально допустимої величини питомої гальмівної сили за умови недопущення юзу колеса

V, км/год	Питома гальмівна сила	V, км/год	Питома гальмівна сила
40		110
50		120
60		130
70		140
80		150
90		160
100

При невідповідності гальмівних характеристик хоча б одному нормативному значенню, виконується перерахунок на інші вхідні дані.

У третьому розділі наведені результати випробувань одиночного пасажирського вагона. Описано процедуру експериментального дослідження нагріву гальмівного диска при гальмуванні пасажирського вагона за рахунок використання створеного за участю дисертанта випробувального та програмного комплексів, які дозволяють реєструвати, виконувати обробку результатів випробувань та визначати гальмівні характеристики та температуру нагрівання диска в реальному режимі часу як єдиний процес.

Для проведення експериментальних досліджень в поїзних умовах автором використовувався метод «кидання» (метод складається в автоматичному відчепленні дослідного вагона від поїзда, при цьому здійснюється екстрене гальмування дослідного вагона), як найбільш точний з існуючих методів. В процесі досліджень було вдосконалено диференційне рівняння руху вагона при несталому гальмуванні на площадці (1), шляхом урахування особливостей зміни тиску в гальмівному ціліндрі.

Величина дійсного коефіцієнта сили натиснення накладок змінюється протягом часу відповідно до наповнення гальмівного циліндра стисненим повітрям. Експериментально-розрахункові дослідження свідчать, що зміна тиску в гальмівному циліндрі до сталого описується поліномінальною залежністю:

, (7)

Аналіз індикаторних діаграм наповнення гальмівного циліндра свідчить, що існують три області зміни тиску в гальмівному циліндрі при гальмуванні, які характеризуються: перша - часом від початку зниження тиску в гальмівній магістралі до початку підвищення тиску в гальмівному циліндрі; друга - часом підвищення тиску в гальмівному циліндрі від нуля до сталого і третя - сталим тиском у гальмівному циліндрі (рис. 2).

Лінія регресії зміни тиску в гальмівному циліндрі до сталого описується поліномом третього ступеня:

, (8)

Рис. 2. Діаграми зміни тиску в гальмівних приладах дискового гальма при пневматичному екстреному гальмуванні вагона на площадці

Для опису математичної моделі гальмування з урахуванням особливостей зміни тиску в гальмівному циліндрі використовувалася функція Хевисайда. Тоді математична модель гальмування вагона приймає вигляд:

(9)

Розрахунок рівняння (9) виконувався методом чисельного інтегрування за інтервалами часу, при цьому зміна швидкості в заданому інтервалі визначається за формулою:



(10)

За зміненням швидкості визначається середнє значення швидкості в даному інтервалі та збільшення гальмівного шляху, а доданком усіх визначається повний гальмівний шлях .

Зіставлення результатів випробувань із результатами розрахункових досліджень із використанням математичної моделі (формула 9) показали їх задовільну порівнянність.

Також виходячи з завдання дисертації були проведені дослідження з визначення впливу гальмівної ефективності на температурні режими роботи гальмівного диска.

Аналіз результатів досліджень показав, що зміна температури в диску під накладкою при гальмуванні має складний характер. Основною особливістю є зростання температури диска від початкового до максимального значення за період, що складає 0,8 від часу повного гальмування, причому максимальна температура під накладкою виникає в середній ії частині та на виході з накладки. Середньостатистичне значення температури диска під накладкою в діапазоні швидкостей (40-160) км/год на 39 % вище, ніж поза зоною накладки. Коефіцієнти кореляції температури диска з такими факторами як швидкість, час та гальмівний шлях мають практично однакові значення і перевищують величину 0,92. Тому для подальших досліджень в якості основного фактора, що впливає на температуру диска, приймалась швидкість на початку гальмування та прискорення, як похідна швидкості.

Для оцінки температури нагріву диска при гальмуванні приймалась різниця між максимальною й початковою температурами.

Зважаючи на те, що результати, які отримані при випробуваннях, є випадковими величинами, обробка інформації здійснювалась методами математичної статистики.

Виконані розрахунково - експериментальні дослідження показали, що температура нагріву диска від швидкості на початку гальмування має квадратичну залежність, а від прискорення вагона - експоненціальну.

Були отримані номограми для визначення гальмівних шляхів дослідного вагона на площадці при екстреному пневматичному гальмуванні при різних значеннях дійсних коефіцієнтах сили натиснення накладок, приведених до поверхні кочення колеса, у діапазоні зміни швидкостей на початку гальмування (40-200) км/год і коефіцієнті тертя накладок 0,35.

В результаті досліджень були отримані таблиці для визначення температури диска як від величини дійсного коефіцієнта сили натиснення, так і від питомої гальмівної сили, на основі яких побудовані номограми, які наведені на рисунках 3, 4.

Зіставлення результатів експериментальних та розрахункових досліджень свідчать, що коефіцієнт детермінації для температури нагріву диска під накладкою складає 0,89, а поза зоною накладки - 0,956. Високий коефіцієнт детермінації для температури поза зоною накладки обумовлений тим, що збільшення об'ємної температури, через значну масу диска, має певну інерційність, а отже більш стабільний характер у порівнянні з температурними спалахами під накладкою.

Аналіз результатів розрахунку показав, що температура нагрівання диска накладає обмеження на допустиму величину дійсного коефіцієнта сили натиснення накладок (питому гальмівну силу). Так, наприклад, для допустимої температури нагрівання диска 300 ^оС, дійсний коефіцієнт сили натиснення при швидкості 160 км/год повинен бути не більше 0,24, при цьому температура на поверхні диска під накладкою може скласти до 500 ^оС.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Номограми для визначення температури на поверхні диска під на-кладкою при екстреному пневматично-му гальмуванні одиночного вагона за-лежно від питомої гальмівної сили (bт)	Рис. 4. Номограми для визначення температури нагрівання диска поза зо-ною накладки при екстреному пневма-тичному гальмуванні одиночного вагона залежно від питомої гальмівної сили (bт)

У четвертому розділі наведені дослідження з метою оцінки впливу гальмівної навантаженості та регулювальних гальмувань на температуру нагріву диска в реальних умовах експлуатації. Дослідження проводились в умовах руху прискореного пасажирського поїзда на маршруті «Дніпропетровськ-Київ-Дніпропетровськ», який складався з 10 вагонів, з них 8 вагонів обладнані колодковим гальмом, та 2 вагона дисковим.

У процесі досліджень вимірюванню піддавались: швидкість руху, інтенсивність гальмувань, вид регулювального гальмування, реалізуємі тиски в гальмівних циліндрах, температура нагрівання диска.

Вимірювання швидкості руху проводилися з інтервалом одна хвилина. Аналіз швидкості руху пасажирського поїзда за маршрутом Дніпропетровськ-Київ-Дніпропетровськ показав, що основний діапазон швидкості руху відповідає інтервалу швидкості (80-120) км/год.

Результати статистичного розрахунку для швидкостей руху свідчать, що математичне очікування швидкості руху при довірчій імовірності 0,95 склало (103,3-105,3) км/год.

Гальмівна навантаженість дискових гальм оцінювалася за кількістю гальмувань, величиною тиску в гальмівному циліндрі і тривалістю гальмування. Аналіз показав, що найбільша кількість регулювальних гальмувань припадає на третю ступінь гальмування, причому найбільше число гальмувань за одну поїздку склало 43 гальмування і було зафіксовано під час руху за маршрутом Київ-Дніпропетровськ.

Полігони розподілу температур в диску на вході і виході із накладки при регулювальних гальмуваннях кореспондуються з інтенсивністю гальмувань.

Величини температур диска в більшій мірі залежали від тиску в гальмівному циліндрі

При виконанні ряду послідовних регулювальних гальмувань температура в гальмівному диску зростала при регулювальних гальмуваннях, що здійснюються від низшої ступені гальмування до більш високої і навпаки.

У п'ятому розділі виконано розрахунок економічного ефекту від експлуатації пасажирського вагона з дисковим гальмом в порівнянні з пасажирським вагоном, оснащеним колодковим гальмом з урахуванням життєвого циклу вагонів.

Розрахунок вартості життєвого циклу пасажирського вагона виконувався з урахуванням приведення витрат до року побудови, строк служби пасажирського вагона становить 30 років.

Сумарний економічний ефект за розрахунковий період визначався за формулою:

--r = rпр + rек , (12)

де ?пр - ефект від закупівлі (різниця вартості придбання) пасажирських вагонів з дисковими та колодковими гальмами;

rек - ефект від експлуатації пасажирських вагонів з дисковими та колодковими гальмами.

Приймаємо, що вагони з обома видами гальм експлуатуються в умовах Південної залізниці в поїздах локомотивної тяги.

Розрахунок вартості життєвого циклу вагона моделі 61-779 на візках 68-

4065/4066 становить 23 431 тис. грн., а з урахуванням коефіцієнту приведення 1 477 тис. грн.

Розрахунок вартості життєвого циклу вагона моделі 61-779ЄГ на візках 68-7007/7012 становить 19 723 тис. грн., а з коефіцієнтом приведення - 1 243 тис. грн.

Розрахунок економічного ефекту від експлуатації пасажирського вагона з дисковим гальмом за життєвий цикл наведений в таблиці 3.

Таблиця 3

Кількість вагонів	Показник	Формула розрахунку	Сума, тис. грн.
на 1 вагон	Ефект від придбання	?пр = Ц нов. - Ц нов.(д)	-830
	Ефект від експлуата-ційних витрат	?ек = С експ. - С експ.(д)	4 538
	Загальний ефект	? = ?пр - ?ек	3 708
на 100 вагонів	? l00 = ?* 100	370 769

Виходячи з розрахунків, на початок експлуатації дорожчим є вагон з дисковим гальмом на 830 тис. грн.

За рахунок збільшення швидкості пасажирських поїздів з дисковим гальмом експлуатаційні витрати зменшуються. Виходячи з розрахунку за життєвий цикл вагона з дисковими гальмами, економія на експлуатаційних витратах становить 4 538 тис. грн.

Таким чином, сумарний економічний ефект від експлуатації вагона з дисковим гальмом в порівнянні з вагоном з колодковим гальмом за життєвий цикл, становить 3 708 тис. грн.

Проведене дослідження розрахунку економічного ефекту від експлуатації пасажирського вагона з дисковим гальмом за життєвий цикл дозволяє зробити висновок, що закупівля та експлуатація пасажирських вагонів з дисковим гальмом ефективніша за існуючі пасажирські вагони з колодковим гальмом. Економічний ефект від застосування дискового гальма орієнтовно складе 8 % від суми загального економічного ефекту.

Експлуатація пасажирських вагонів з дисковим гальмом дозволить збільшити швидкість до 200 км/год та безпеку руху, значно підвищити комфортність та якість перевезень, а також завдяки скороченню часу перебування вагонів в дорозі збільшити пропускну спроможність ділянок та привабливість залізничного транспорту в порівнянні з іншими видами транспорту.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота містить отримані автором результати, які у сукупності вирішують актуальне науково-практичне завдання підвищення гальмівної ефективності пасажирських вагонів на основі удосконалення процесів функціонування дискових гальм.

Виконані в роботі дослідження дозволяють зробити наступні висновки та сформулювати такі пропозиції:

Виконаний аналіз наукових праць, присвячених дослідженню дискових гальм свідчить що залишаються окремі невирішені проблеми. Це, зокрема, стосується питань розрахунку дискових гальм, впливу температури нагрівання дисків на гальмівну ефективність вагонів, а також відсутності в Україні нормативних вимог щодо оцінки гальмівної ефективності вагонів, обладнаних дисковим гальмом.

Розроблено наукове обґрунтування процедури оцінки гальмівної ефективності пасажирських вагонів з дисковим гальмом з урахуванням заданого гальмівного шляху дозволяє оцінювати відповідність гальмівної ефективності існуючим нормативним вимогам.

Отримані таблиці та номограми гальмівних шляхів пасажирського поїзда з дисковим гальмом на площадці та уклонах у діапазоні швидкостей (20- 200) км/год при електропневматичному і пневматичному екстреному гальмуванні, за якими для заданих максимальних швидкостей руху та гальмівному шляху можна визначити питому гальмівну силу.

Удосконалена математична модель для визначення гальмівного шляху окремого вагона на площадці при екстреному пневматичному гальмуванні має задовільну збіжність з результатами випробувань.

Розроблені випробувальний на базі вагона-лабораторії та програмний комплекси дозволяють реєструвати в реальному режимі часу гальмівні процеси, температуру нагрівання диска при екстреному пневматичному гальмуванні пасажирського вагона, та здійснювати обробку різних, за своєю фізичною природою, експериментальних даних.

Встановлено, що основним фактором, що впливає на величину температури диска, є питома гальмівна сила (дійсний коефіцієнт сили натиснення накладок на диски приведений до поверхні кочення колеса), причому характерною рисою зміни температури на поверхні диска під накладкою є її підвищення до максимального значення за час, що складає 80 % від часу повного гальмування, а зниження температури після досягнення максимального значення обумовлюється інтенсивною передачею тепла безпосередньо диску. Причому температура диска під накладкою розподіляється нерівномірно від мінімального на вході до максимального на виході з накладки по напрямку обертання диска.

Показано, що залежність температури диска від швидкості на початку гальмування описується квадратичною залежністю, а залежність температури поверхні диска під накладкою від величини сповільнення вагона описується степеневою залежністю, поза накладкою - експонентною.

Встановлено, що температура нагрівання диска накладає обмеження на гальмівну ефективність пасажирського вагона (питому гальмівну силу, або припустиму величину дійсного коефіцієнта сили натиснення накладок), а розроблені номограми та таблиці дозволяють на стадії проектування визначати температуру диска для різних швидкостей на початку гальмування.

Виявлено, що при випробуваннях пасажирських вагонів з дисковим гальмом у складі поїзда величина температури диска залежить від тиску в гальмівному циліндрі, реалізованого в процесі регулювального гальмування, і тривалості гальмування.

Показано, що для зменшення температури в гальмівному диску може бути рекомендовано використовувати такі види гальмування, як рекуперативне або реостатне, а для підвищення гальмівної ефективності пасажирських вагонів рекомендується використати три та більше гальмівні блоки на колісній парі, або застосовувати магніторейкове гальмо.

Проведене дослідження розрахунку економічного ефекту від експлуатації пасажирського вагона з дисковими гальмами за життєвий цикл дозволяє зробити висновок, що закупівля та експлуатація пасажирських вагонів з дисковими гальмами ефективніша за існуючі пасажирські вагони з колодковими гальмами.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Основні наукові результати дисертації опубліковані у наступних фахових виданнях України, які затверджені ВАК:

Водянніков Ю.Я. Вплив температури нагрівання на гальмівний диск пасажирського вагона / Ю.Я. Водянніков, А.В. Донченко, О.М. Сафронов, Т.В. Шелейко // Вісник Східноукраїнського національного університету імені В. Даля. - Луганськ, 2009. - № 4 (134) частина 1. - С. 224-228.

Сафронов A.M. Дослідження дискової гальмівної системи пасажирського вагона / A.M. Сафронов // Збірник наукових праць Державного економіко-технологічного університету транспорту, серія «Транспортні системи і технології» - Київ, 2009. - Вип. 14. С. 51-67.

Сафронов A.M. Методика исследования температуры нагрева диска при торможении / A.M. Сафронов // Збірник наукових праць Державного економіко-технологічного університету транспорту, серія «Транспортні системи і технології» - Київ, 2009. - Вип. 15. - С. 99-104.

Сафронов A.M. Исследование температурных полей в диске дискового тормоза пассажирского вагона при торможении / A.M. Сафронов // Технологические системи - Киев, 2009. № 4(48)/2009. - С. 59-68.

Водянніков Ю. Експериментальні дослідження температури нагрівання гальмівного диска пасажирського вагона при екстрених пневматичних гальмуваннях / Ю. Водянніков, А. Донченко, О. Сафронов // Збірник наукових праць Державного економіко-технологічного університету транспорту серія «Транспортні системи і технології» - Київ, 2008. - Вип. 13.-С. 108-113.

Водянников Ю.Я. Определение фрикционных характеристик дискового тормоза пассажирского вагона при стендовых испытаниях / Водянников Ю.Я, Шелейко Т.В., Сафронов А.М. // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - Луганськ, 2010. - № 1 (143) частина 2. - С. 46-49.

Водянников Ю.Я. Особенности распределения температурных полей в тормозном диске дискового тормоза пассажирского вагона / Ю.Я. Водянников, А.И. Шведов, А.М Сафронов // Матеріали IV міжнародної науково-практичної конференції Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем в умовах реформування залізничного транспорту: управління, економіка і технології, серія «Техніка, технологія» - Київ, 2008. - С. 27-29.

8 Водянников Ю.Я. Исследования динамики изменения температуры нагрева диска пассажирского вагона при экстренном пневматическом тормо-жении / Ю.Я. Водянников, A.M. Сафронов, А.В. Донченко // VI международная научно-практическая конференция «Подвижной состав XXI века, требования, идеи, проекты». Тезисы докладов - Санкт-Петербург, 2009. -С. 31-32.

9 Водянников Ю.Я. Зависимость температуры нагрева тормозных дисков от действительного коэффициента силы нажатия накладок / Ю.Я. Водянников, A.M. Сафронов, Т.В. Шелейко // VI международная научно-практическая конференция «Подвижной состав XXI века, требования, идеи, проекты»: тезисы докладов - Санкт-Петербург, 2009. - С. 32-34.

10 Водянников Ю.Я. Методика экспериментального исследования тормозных характеристик и температуры нагрева диска при торможении пассажирского вагона с дисковым тормозом / Ю.Я. Водянников, A.M. Сафронов, А.И. Шведов // VI международная научно-практическая конференция «Подвижной состав XXI века, требования, идеи, проекты»: тезисы докладов - Санкт-Петербург, 2009. - С. 34-36.

11 Водянников Ю.Я. Сравнительный анализ процессов торможения пассажирских вагонов с колодочными и дисковыми тормозами / Ю.Я. Водянников, Т.В. Шелейко, A.M. Сафронов // 70 - Міжнародна науково- практична конференція «Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту»: міжнар. науч.-техн. конф., 15.04 - 16.04.2010 p.: тези доповідей - 2010 р.

12 Сафронов A.M. Критерии оценки тормозной эффективности пассажирского вагона с дисковым тормозом / A.M. Сафронов // 70 - Міжнародна науково-практична конференція «Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту»: міжнар. науч.-техн. конф., 15.04 -16.04.2010 p.: тези доповідей - 2010 р.

13 Сафронов A.M. Результаты исследования температуры нагрева диска дискового тормоза пассажирского вагона при экстренном торможении / A.M. Сафронов // V Всероссийская научно - практическая конференция Проблемы и перспективы развития вагоностроения, 13-15 мая - Брянск, 2010 г.

АНОТАЦІЯ

Сафронов О.М. Підвищення гальмівної ефективності пасажирських вагонів шляхом удосконалення процесів функціонування дискових гальм. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.07 - Рухомий склад залізниць та тяга поїздів. - Державне підприємство «Державний науково-дослідний центр залізничного транспорту України». Київ, 2010.

Розроблено процедуру визначення характеристик дискового гальма пасажирських вагонів з урахуванням заданого гальмівного шляху, яка передбачає використовувати для оцінки гальмівної ефективності питому гальмівну силу, а в якості критерію - гальмівні шляхи поїзда з колодковими гальмами.

Отримані аналітичні залежності зміни температури диска від характеристик процесів гальмування, а також розподіл температури диска, що дозволяє отримати уточнену характеристику і особливості розподілу температур, та побудовані номограми та представлені таблиці для визначення температури диска при екстреному пневматичному гальмуванні пасажирського вагона

Розраховані таблиці та номограми гальмівних шляхів при електро-пневматичному і пневматичному екстреному гальмуванні пасажирського поїзда з дисковими гальмами.

Удосконалено математичну модель для визначення гальмівного шляху окремого пасажирського вагона з дисковим гальмом при екстреному пневматичному гальмуванні, яка на відміну від існуючих для вагонів з колодковим гальмом враховує час наповнення гальмівних циліндрів стисненим повітрям, та метод експериментального дослідження нагріву гальмівного диска при гальмуванні пасажирського вагона.

Результати дисертаційної роботи прийняті до використання в Державному підприємстві «Український науково-дослідний інститут вагонобудування», ВАТ «Крюківський вагонобудівний завод», в Державному економіко-технологічному університеті транспорту.

Ключові слова: пасажирський вагон, гальмівний шлях, гальмівний диск, гальмівна ефективність, питома гальмівна сила, дійсний коефіцієнт сили натиснення, екстрене гальмування, температура нагрівання диска, експериментальне дослідження.

АННОТАЦИЯ

Сафронов А.М. Повышение тормозной эффективности пассажирских вагонов путем усовершенствования процессов функционирования дисковых тормозов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов. - Государственное предприятие «Государственный научно-исследовательский центр железнодорожного транспорта Украины», Киев, 2010.

Разработана процедура по определению характеристик дискового тормоза пассажирских вагонов с учетом заданного тормозного пути, которая предусматривает использовать для оценки тормозной эффективности удельную тормозную силу, а в качестве критерия - нормативные тормозные пути поезда с колодочным тормозом. Процедура позволяет выполнять разнообразные расчеты для выбора характеристик тормозной системы, которые удовлетворяют действующим нормативным требованиям для пассажирских вагонов с колодочным тормозом.

Получены аналитические зависимости изменения температуры диска от характеристик процессов торможения, а также распределение температуры диска под накладкой, что позволяет получить уточненную характеристику и особенности распределения температур.

Построены номограммы и представлены таблицы для определения температуры диска при экстренном пневматическом торможении пассажирского вагона на участке пути с нулевым уклоном («площадке»);

Составлены таблицы и построены номограммы тормозных путей при электропневматическом и пневматическом экстренном торможении пассажирского поезда с дисковым тормозом на площадке и уклонах в диапазоне скоростей до 160 км/час, а также дополнительно до 200 км/час.

Усовершенствована математическая модель для определения тормозного

пути отдельного пассажирского вагона с дисковым тормозом при экстренном пневматическом торможении, которая в отличие от существующих для вагонов с колодочным тормозом учитывает время наполнения тормозных цилиндров сжатым воздухом.

Получены расчетные зависимости для проверки условия недопущения юза (заклинивание колесных пар) при торможении пассажирских вагонов с дисковым тормозом.

Усовершенствован метод экспериментального исследования нагрева тормозного диска при торможении пассажирского вагона за счет использования созданного испытательного и программного комплексов, которые позволяют регистрировать и выполнять обработку результатов испытаний, а также определять тормозные характеристики и температуру нагревания диска в реальном режиме времени как единый процесс.

Ключевые слова: пассажирский вагон, тормозной путь, тормозной диск, тормозная эффективность, удельная тормозная сила, действительный коэффициент силы нажатия, экстренное торможение, температура нагрева диска, экспериментальные исследования.

SUMMARY

Safronov O.M. Increase of braking efficiency due to improvement of brake disks operation mode. - Manuscript.

Thesis for the candidate's degree in Engineering on the subject 05.22.07 - “Railway rolling stock and train traction force. - State Enterprise “State Railway Research and Development Center”. Kiev, 2010.

The procedure for determination of brake disk characteristics for coaches with a view to the specified braking distance was developed. The procedure stipulates the application of specific braking force for evaluation of braking efficiency using the braking distance of the train equipped with tread brake as a criterion.

Analytical findings on dependence of disk temperature change on braking characteristics and disk temperature distribution are presented, thus allowing to obtain improved temperature distribution characteristic, nomograms and tables for determination of disk temperature under pneumatic emergency braking mode of coaches. Tables and nomograms for braking distance under electro pneumatic and pneumatic emergency braking mode of the coach with disc brake were made.

Mathematical model for determination of the braking distance of the specific coach equipped with disk brake at emergency pneumatic braking mode was improved. The mathematic model as compared to available models for coaches with tread brake takes account of time for filling the brake cylinder with compressed air and test method for brake disk heating under braking mode.

Thesis results are accepted for application at State Enterprise “Ukrainian Research Van-building Institute”, VAT “Kriukovskiy Van-building Plant” and State Economics Technology Transport University.

Key words: coach, braking distance, brake disc, braking efficiency, specific braking force, actual braking force ratio, emergency braking, brake disc heating temperature, research test.

Размещено на Allbest.ru