Трибоспектральная идентификация термомеханических повреждений на модели контакта «гребень колеса – боковая поверхность колеса»

Аннотация

А.А. Александров

Предложен метод трибоспектральной идентификации термомеханических повреждений пары гребень колеса – боковая поверхность колеса. Отработка метода выполнялась на стандартной машине трения СМТ-1. Были проведены одновременные измерения динамики фактической площадь касания и  амплитудо – фазо - частотных характеристик (АФЧХ) механических напряжений и последующий анализа термоповреждений. Используя метод трибоспетральной идентификации был определен информационный канал  - определенный частотный диапазон, характерный для процессов термоповреждений. Данная методика позволит в дальнейшем создать систему для контроля, мониторинга и прогнозирования поведения фрикционного контакта с целью обнаружения аномальных процессов и контроля наличия третьего тела в контакте.
Ключевые слова: термомеханические повреждения, зона контакта, фрикционная пара, моделирование, комплексные измерения, трибоспектральная идентификация, информационный канал, контроль, мониторинг № гос. регистрации 0420900096/0027   

05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Ростовский государственный
университет путей сообщения

На современном этапе развития железнодорожного транспорта взаимодействие фрикционной системы «путь – подвижной состав» в процессе реализации сцепления колес подвижного состава с рельсами происходит при высоких скоростях, статических и динамических нагрузках. Значительная часть энергии, вырабатываемой тяговым составом, затрачивается на преодоление сил трения в контакте «колесо-рельс».  Диссипация  энергии происходит по следующим направлениям: основной – на генерирование теплоты, а также на накопление энергии деформации, образование точечных дефектов, дислокаций, на излучение в виде фононов (акустических волн, звука), фотонов (триболюминесценции), электронов (экзоэлектронной эмиссии) и др.
Увеличение температуры в контакте приводит к изменению физико-механических свойств фрикционных пар и, следовательно, сказывается на стабильности рабочих характеристик узла трения. Температура и градиент температуры ускоряют все химические процессы, уменьшают толщину разделяющего слоя смазки, приводят к десорбции и деструкции защитных смазочных слоев и пленок, снижают механическую прочность материалов, вызывают внутренние напряжения, коробление, усиливают деформационные, адгезионные процессы, изменяют структурные, фазовые состояния. Таким образом, именно температурное поле в зоне контакта оказывает решающее воздействие на характер процессов трения и изнашивания. А один из главных параметров, оказывающих воздействие на формирование температуры является фактическая площадь касания (ФПК).
Особенно ощутимо это проявляется во фрикционном контакте «гребень колеса – боковая поверхность рельса» при вписывании тележек подвижного состава в криволинейные участки пути и особенно в кривых малого радиуса. Здесь в зависимости от условий вписывания в кривую, исправности колесных пар и элементов тележки грузового вагона  происходит возрастание удельных нагрузок в местах , где происходит сокращение фактической площади касания. Возникающие здесь напряжения, превышающие пределы текучести материала, приводят к повышению коэффициента трения, возникновению негативных динамических процессов и стремительному росту температуры. Все это приводит к формированию в зоне контакта гребня колеса с боковой поверхностью рельса условий атермического схватывания. В дальнейшем это может послужить серьезной угрозой безопасности движения.
Измерить температуру в контакте трения инструментальными средствами (контактными и бесконтактными) не представляется возможным, т.к. формирование «температуры вспышки» происходит по фактической площади касания на вершинах микронеровностей. При размыкании контакта происходит  мгновенная диссипация энергии и температуры в окружающую среду. Лишь незначительная часть энергии передается контактирующим телам через микронеровности и формируют объемную температуру, которую и могут зафиксировать термопары и тепловизеры.
Оценку термодинамического состояния фрикционного контакта возможно выполнить на базе метода трибоспектральной идентификации триботехнических характеристик. [4]
Методика заключается в следующем. Как уже отмечалось выше, температурное поле в зоне контакта оказывает решающее воздействие на характер процессов трения и изнашивания. А один из главных параметров, оказывающих воздействие на формирование температуры является фактическая площадь касания (ФПК). Т.о. ФПК является тем лимитирующим параметром, на котором происходит термоконтакт между поверхностями. Чем меньше ФПК, тем больше контактные давления и напряжения, и тем выше соответственно температура.
Отработка метода выполнялась на стандартной машине трения СМТ-1. На базе физико-математического моделирования были рассчитаны нагрузочно-скоростные параметры модели контакта «гребень колеса – боковая поверхность рельса».
Фактическую площадь касания можно определить с помощью метода определения ФПК по методу электропроводности. Для этого использовался миллиомметр GOM-802, подсоединенный к изолированным от корпуса установки образцам. Определение ФПК по изменению величины переходного сопротивления (по электропроводности) позволяет отслеживать изменение ФПК не разнимая контактирующие поверхности, возможна регистрация быстропротекающих процессов. Этот метод не дает представления о форме контакта, количестве пятен контакта, его структуре, но позволяет фиксировать относительные изменения величины суммарной площади контакта при изменении величины проскальзывания, нагрузки и скорости во времени. Получаемые значения ФПК наиболее приближены к действительным, т.к. образцы изготавливаются из соответствующих материалов, что и изучаемые объекты).
Как уже отмечалось выше, большая часть энергии, приложенной к ФПК гребень колеса – боковая поверхность рельса, расходуется на образование тепла. Передача контактных нагрузок от одной поверхности к другой происходит по вершинам микровыступов в зоне ФПК. При определенном нагрузочноскоростном режиме произойдет резкое увеличение на отдельных пятнах контакта объемной температуры (температура вспышки), вызывающие пластическое течение материала, местные фазовые и структурные превращения поверхностного слоя, т.е. приводят к термоповрежедениям контактирующих поверхностей.
Измерительные датчики (тензодатчики, фиксирующие тангенциальную и нормальную составляющую силы трения) позволяют фиксировать на ЭВМ через усилители и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) амплитудо-фазо-частотные характеристики (АФЧХ) протекающих процессов. Используя метод трибоспетральной идентификации (ТСИ), определяем информационный канал, который в дальнейшем будет являться идентификационным каналом обнаружения термоповреждений. Под идентификационным каналом понимается определенный частотный диапазон, характерный для процессов термоповреждений. Одновременно фиксируется и динамика ФПК между колесом и рельсом и сопоставление ее с АФЧХ. При появлении термоповреждений на поверхности гребня колеса будет происходить мгновенная диссипация большого количества энергии, которую возможно обнаружить по изменению в АФЧ спектре, а по ее величине – температуру в контакте. Наличие термоповреждений (следов воздействия высоких температур) проверяется на оптическом микроскопе.
Данная методика позволит в дальнейшем создать систему для контроля, мониторинга и прогнозирования поведения фрикционного контакта с целью обнаружения аномальных процессов и контроля наличия третьего тела в контакте. Технологический прибор в сочетании с устройством для передачи информации через систему ГЛОНАС установленный на особо опасных (кривых малого радиуса) и трудных участках пути. Это позволит в режиме реального времени управлять движением грузового состава, контролировать наличие третьего тела (смазки) в контакте гребень колеса – боковая поверхность рельса, выявлять колесные пары, подвергшиеся термоповреждениям или имеющие ползуны, а также  неисправные («шальные») тележки грузовых вагонов. На следующем пункте остановки состава такие тележки и колесные пары можно будет более детально обследовать на предмет дальнейшего их следования или отцепки на обточку.
Сегодняшний вагонный парк за 15 лет практически не обновлялся, а нормативный срок службы стремительно приближается к пределу (более 300 тыс. вагонов эксплуатируется с продленным сроком службы). При этом  следует учитывать, что «Стратегия развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года» предусматривает увеличение осевых нагрузок грузовых вагонов до 27-30 тс и скоростей движения до 140 км/ч. Поэтому применение технической системы оперативного выявления неисправных единиц подвижного состава еще во время следования состава позволит обеспечить на высоком уровне безопасность движения и определенную экономию материальных затрат.

Литература