78128

ПЛАНИРОВАНИЕ ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА ПРИ СОЗДАНИИ УСТРОЙСТВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМЕ «КОЛЕСО-РЕЛЬС»

Научная статья

Логистика и транспорт

Внедрение асинхронных тяговых электродвигателей и систем управления обеспечивающих регулирование осевого тягового усилия для каждой оси в соответствии с предельными возможностями по условию сцепления также не является исчерпывающим решением проблемы в связи с тем...

Русский

2015-02-07

161.5 KB

0 чел.

УДК 629.4.027.4: 656.2

ПЛАНИРОВАНИЕ ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА ПРИ СОЗДАНИИ УСТРОЙСТВ,  ИСПОЛЬЗУЮЩИХ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМЕ  «КОЛЕСО-РЕЛЬС»

Воробьев В.И., Измеров О.В., Волохов С.Г.

Россия, г. Брянск, БГТУ

Рассмотрена задача снижения потерь энергии путем применения устройств, влияющих на коэффициент трения в системе «колесорельс» путем воздействия магнитного поля. Предложен план работ по инженерному анализу таких устройств на всех стадиях проектирования и подготовки к выпуску продукции.

The problem of energy saving for “wheel-rail” system by using the magnetic adhesion amplifiers is considered. The  complete plan on the engineering analysis for magnetic adhesion amplifiers  is offered.

Экспериментально установлено, что затраты мощности тягового привода железнодорожного локомотива при скольжении колесных пар могут достигать 300 кВт на колесную пару в зависимости от относительного скольжения колесных пар и исходного фрикционного состояния рельсов [1], при часовой мощности на тягу для большинства эксплуатируемых электровозов порядка 600-800 кВт на колесную пару. Внедрение асинхронных тяговых электродвигателей и систем управления, обеспечивающих регулирование осевого тягового усилия для каждой оси в соответствии с предельными возможностями по условию сцепления также не является исчерпывающим решением проблемы в связи с тем, что при снижении коэффициента сцепления колес с рельсом вследствие загрязнений и наличии влаги максимум коэффициента сцепления реализуется при относительном скольжении 5-10% и выше [1]. Рост относительного скольжения, соответствующего максимальной величине силы тяги, происходит и при развитии автоколебаний колесной пары в режиме боксования [2]: так, при испытаниях тепловоза 2ТЭ121-003Б обнаружилось, что при интенсивных автоколебаниях колесной пары коэффициент сцепления порядка 0,3 был реализован при скольжении от 1 до 15%. Скольжение колесной пары при реализации предельных тяговых усилий также ведет к увеличению расхода легированной стали на изготовление бандажей и рельс.

Решением проблемы является использование устройств для управления коэффициентом трения в самом контакте колеса и рельса. Такое управление может быть осуществлено воздействием на контакт магнитного поля, что приводит к увеличению коэффициента трения для контактирующих поверхностей [3].  Основной причиной, сдерживающей создание магнитных усилителей коэффициента сцепления (МУКС) является отсутствие опыта их проектирования и большой деловой риск, связанный с возникновением непредсказуемых проблем в ходе проектирования и опытной эксплуатации. Согласно [4], вероятность ошибок в процессе проектирования можно существенно снизить за счет своевременного выявления унинформации - совокупности данных, необходимых для устранения информационного дефицита в процессе проектирования. На основании общетеоретического подхода, изложенного в [4], предложен метод планирования  инженерного анализа,  направленный на выявление унинформации и  включающего в себя методику анализа теоретических работ, которая позволяет упростить их восприятие инженером-проектировщиком, исходя из того, что МУКС есть применение нового физического эффекта (воздействие магнитного поля) при известной частной функции, которую можно определить, как обеспечение фрикционного взаимодействия колеса и рельса. Ключевым элементом метода является алгоритм анализа научно-теоретических работ, как процедуры, наиболее сложной для инженерных работников (Рис.1.).

Проведенный на основе  указанного алгоритма анализ научных работ позволил прийти к следующим выводам.

Во-первых, существует принципиальная возможность за счет применения внешних магнитных полей качественно улучшить целый ряд показателей системы «колесо-рельс», компенсировав тем самым увеличение напряжений в зоне контакта, вызванных усилением нажатия колеса на рельс и касательных усилий. На это, в частности указывает изменение коэффициента трения, выявленное в [5].

Во-вторых, настоящее время не сложилось единого представления о природе влияния магнитного поля на свойства материалов. Можно выделить две основные теории. Согласно первой из них, исследователи объясняют изменение физических свойств металлов при воздействии магнитного поля прежде всего изменением поведения в магнитном поле легкоподвижных элементов, добавок, примесей в  материале деталей [6]. В соответствии со второй теорией, одной из причин роста подвижности дислокаций при воздействии внешнего электромагнитного поля, приводящей к различным наблюдаемым явлениям, в настоящее время считают влияние электронных спинов, локализованных на дефектах кристаллической решетки.  При этом, как показано Р.Б. Моргуновым в [7], возможность влияния электронных спинов, локализованных на дефектах структуры, на механические свойства кристаллов до недавнего времени не принимали во внимание.. Получение строгих экспериментальных доказательств влияния спин-зависимых процессов на пластическую деформацию ионных кристаллов в магнитном поле и рост количества публикаций на эту тему определили возникновение нового направления в физике пластичности спиновой микромеханики, целью которой является получение знаний о микроскопических спин-зависимых процессах, влияющих на механические свойства твердых тел.

Предложен план работ, охватывающий потенциальные проблемы создания изделия (Рис.2.). Конечной целью является выделение и ранжирование сфер применения МУКС по соотношению «затраты-эффект», где риски от побочных эффектов (прилипание металлических предметов, ферромагнитной пыли) сведены к минимуму. По данным экономического анализа выбирается один из выпускаемых или эксплуатируемых локомотивов для опытной эксплуатации макетного образца, а также рациональная сфера его эксплуатации. Цель эксплуатации макетного образца – выявить как можно больше возможных проблем при использовании потребителем МУКС с учетом всей совокупности современных условий эксплуатации, которые могут отличаться от тех, в которых проходили испытания тепловоза ТЭМ2УС.

Рис.2. Предлагаемый план работ по инженерному анализу при создании электромагнитного усилителя коэффициента сцепления.

Предлагается провести более подробный анализ фундаментальных исследований, результатом которого должен быть выбор технических решений ряда физических моделей и лабораторных установок для получения эмпирических закономерностей влияния магнитного поля на свойства вещества в диапазоне параметров, характерных для создаваемых МУКС (изменение коэффициента трения, пластичности, износа, трещинообразования и выкрашивания). Полученные эмпирические закономерности могут быть использованы для создания математических моделей, предназначенных для проектирования вариантов конструкции, а также для формирования в научно-теоретического задела для анализа и сопоставления с данными фундаментальных исследований. Установлено, что для проектирования вариантов конструкции потребуются следующие виды моделирования:

- предварительное моделирование различных вариантов конструкции усилителей сцепления для определения магнитных потоков и механической нагруженности конструкции перед проведением стендовых испытаний и в качестве их сопровождения;

- моделирование локальных механических напряжений и термических процессов в зоне контакта «колесо-рельс».

Установлено обязательное проведение следующих видов стендовых испытании для изготовленных натурных образцов:

- сравнительные испытания различных вариантов МУКС с целью поиска наиболее эффективных элементов конструкции;

- исследования на физических объектах факторов повреждаемости колеса и рельса в процессе контактного взаимодействия с учетом воздействия внешнего магнитного поля.

Результаты указанных испытаний позволят выбрать вариант узла, который, после проведения на стенде комплексных ресурсных испытаний, используется для создания макетного образца локомотива. Далее, после выявления проблем в эксплуатации макетного образца, необходимо проведение интерактивной процедуры поиска недостающей информации, что позволит приступить к проектированию уже для серийного локомотива.

Создание МУКС, в свою очередь, создает новые критерии оптимизации колесно-моторного блока:  создание противобоксовочной системы, которая должна предсказывать снижение сцепления и корректировать его для поддержания постоянства силы тяги.

Литература

1. Попов В.А. Влияние фрикционных процессов на реализацию сцепления колесных пар локомотивов с рельсами: автореф. дисс..  на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1984 20 c.

2. О.В. Измеров, А.В. Кошелев, А.Н. Чвала. Проблема воспроизводимости результатов натурных экспериментальных исследований трибологических свойств системы «колесо-рельс» в условиях глобализации рынка рельсовых транспортных средств: статья. «Мир транспорта и технологических машин», № 3(34) 2011 (июль-сентябрь),  Орёл, ОрёлГТУ, с. 28-34.

3. Тихомиров, В.П. Моделирование сцепления колеса с рельсом: монография / В.П. Тихомиров, В.И. Воробьев, Д.В. Воробьев, Г.В. Багров, М.И. Борзенков, И.А. Бутрин. – Орел: ОрелГТУ, 2007. – 127 с.-ил.

4. Инновационное проектирование машин: монография / [О. В. Измеров и др.] под редакцией член-корр. академии электротехнических наук Российской федерации, д-ра техн. наук  А.С. Космодамианского. – Орел, ОрелГТУ, 2010. – 413 с.

5. Chang, Y.P. Effects of friction on tribo-magnetization mechanisms for self-mated iron pairs under dry friction condition/ Y.P. Chang, L.M. Chu, H.M. Chou, Y.C. Hwang//Proc. IMechE,2009.- Vol. 223, Part J: J. Engineering Tribology.- P. 1-12

6. Гаркунов Д.Н., Суранов Г.И., Коптяева Г.Б., О природе повышения износостойкости деталей и инструмента магнитной обработкой. Трение и износ. 1982, т.3,№2. 327-330с.

7. Моргунов Р.Б. Спин – зависимые реакции между дефектами структуры и их влияние на пластичность кристаллов в магнитном поле // Вестник РФФИ. № 2(32), июнь 2003. С. 19-46.

Воробьев Владимир Иванович, к.т.н., доцент, Брянский государственный технический университет, 241035, г. Брянск, б-р. 50-летия Октября, д. 7, 8 960 564-38-45

Измеров Олег Васильевич, администрация Губернатора и Правительства Брянской

области, 241034, г. Брянск, ул Бузинова, д.2. кв. 6., izmerov@yandex.ru  тел. 56-14-44.

Волохов Станислав Григорьевич, ООО «Радуга», 241035, г. Брянск, ул. Брянской Пролетарской дивизии, д. 1а


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20789. Подготовка воды для заполнения и подпитки контуров 302 KB
  Целевая установка: В результате изучения материала лекции студенты должны: а знать: технологию предварительной очистки природных вод; основные методы опреснения и обессоливания воды; использование очистки воды методом дистилляции на АЭС; принципы ионного обмена между смолами и водными растворами; основные показатели качества ионитов; основные методы очистки воды от растворенных газов применяемых на АЭС;...
20790. Работа с приложением Ansys 3.4 MB
  Цель работы – Придумать и реализовать 2 проекта при помощи приложения Ansys, предоставить развернутое описание своих действий в помощь те, кто будет заниматься этим в дальнейшем, основываясь на достигнутых мною результатах. В этой работе мы рассмотрим общие сведения об Ansys и его возможностях, а так же пронаблюдаем процесс создания модели, задания различных данных и работы с получившимися результатами на примере двух несложных проектов.
20791. Проект мероприятий по совершенствованию системы сбыта предприятия (на примере ООО «НАРМИ», г. Александровск) 849 KB
  В результате анализа основных технико-экономических показателей деятельности ресторана «НАРМИ» в прогнозном периоде по сравнению с отчетным была выявлена экономическая эффективность внедрения как всего комплекса предложенных мероприятий, так и отдельных направлений.
20792. Юридичні особи в міжнародному праві 159 KB
  Обґрунтування критеріїв визначення статусу юридичних осіб, порядку їх утворення, основних закономірностей функціонування в різних країнах світу, висвітлення проблем національності юридичних осіб; показати їхню важливість та одночасно принципи формування у сучасному світі.
20793. Микропроцессоры (МП) 88.5 KB
  Закон функционирования управляющего автомата УА может быть задан двумя способами: в виде жесткой логики автомат Мили и автомат Мура; в виде микропрограмм закодированных определенным образом в виде микрокоманд. Учитывая что микроразрядность ОБ может достигать нескольких десятков разрядов а число устройств 816 автоматов то число состояний такого автомата может достигать астрономических цифр и описать их в виде графа автоматов Мили или Мура не представляется возможным. Тема: Представление закона функционирования микропроцессора...
20794. Мотивація персоналу підприємства побутового обслуговування (на прикладі ТОВ «Clean group») 540 KB
  Розглянути сутність мотивації як елементу управління персоналом; дослідити сучасні методи та інструментарій мотивації праці в управлінні; проаналізувати особливості мотивації персоналу на підприємствах сфери послуг; дослідити основні тенденції розвитку сфери послуг в Україні; проаналізувати діяльність підприємства, стан управління персоналом; сформувати пропозиції щодо покращення стану системи мотивації.
20795. Законодавче забезпечення прав пацієнтів в Україні 223 KB
  Основи законодавства України про охорону здоровя визначають правові, організаційні, економічні та соціальні засади охорони здоровя в Україні, регулюють суспільні відносини у цій сфері з метою забезпечення гармонійного розвитку фізичних і духовних сил
20796. Моделирование воздействия электрических импульсов различной частоты на симпатическую нервную систему 3.03 MB
  Целью моей работы является разработка компьютерной модели лечения артериальной гипертензии новым и в настоящее время активно исследуемым методом радиочастотной деструкции нервных клеток почечной артерии.
20797. Виды, причины и типы инфляции 223.5 KB
  Инфляция (от лат. inflation — вздутие, разбухание) — непрерывное повышение среднего уровня цен в экономике, обесценение денег, происходящее из-за того, что в экономике их становится больше, чем нужно, т. с. денежная масса, находящаяся в обращении, «разбухает». Более строгое определение инфляции, учитывающее причины и некоторые следствия роста среднего уровня цен в экономике