Модификатор трения и система управления приводом его подачи

Изобретение относится к системам модифицирования поверхностей трения. Ротапринтно-контактный способ модифицирования тяговых поверхностей колеса и рельса заключается в том, что брикет модификатора трения установлен в корпусе с возможностью совершения поступательного перемещения в сторону модифицируемой поверхности трения. Брикет модификатора трения прижимают по сигналу, поступающему от подсистемы прогнозирования начала срыва сцепления (боксования), работающей на основе анализа корреляционной связи между активным и реактивным моментами в силовом приводе локомотива, а также анализа амплитудно-фазово-частотной характеристики (АФЧХ) фрикционного контакта и частот собственных колебаний. Привод прижатия брикета включают в момент возникновения текущего значения корреляционной связи ниже порогового уровня, который предшествует срыву сцепления для данного локомотива и условий его эксплуатации, а также при возникновении АФЧХ трибоспектра фрикционного взаимодействия колеса с рельсом и появлении частот собственных колебаний, соответствующих состоянию, предшествующему срыву сцепления. Привод прижатия брикета отключают в момент превышения значения порогового уровня корреляционной связи и появления значений АФЧХ и частот собственных колебаний, соответствующих устойчивой реализации сцепления для данного локомотива и условий его эксплуатации. Модификатор трения, основу которого составляет бетон, содержащий портландцемент, кварцевый песок, жидкое стекло, перманганат калия, согласно изобретению имеет форму брикета с пористым внутренним строением. Он дополнительно содержит кальцинированную соду, обеспечивающую реакции нейтрализации компонентов нефтяного происхождения, находящихся между контактирующими поверхностями трения, а также пенообразующее вещество, которое приводит к ослаблению физико-механических характеристик пористой матрицы брикета модификатора трения до уровня, при котором предел прочности на сдвиг его поверхностных слоев преодолевается прикладываемой нагрузкой в нормальной и тангенциальной плоскостях. Модификатор трения имеет следующее содержание (мас.%) упомянутых компонентов: кальцинированная сода 2-20, кварцевый песок 0-70, жидкое стекло 2-30, портландцемент 5-40, перманганат калия 1-20, пенообразующее вещество 1-20. В результате повышается величина и стабильность коэффициента сцепления колеса с рельсом. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Настоящее изобретение относится к системам модифицирования поверхностей трения, представляющим собой способ осуществления нанесения на поверхность трения фрикционных узлов специальных веществ, изменяющих состав и количество «третьего тела», находящегося между контактирующими поверхностями (окислы, масляные и другие пленки, частицы пыли, графита, песка SiO₂ и пр.) путем механохимического воздействия на вышеназванное «третье тело».

В промышленно-развитых странах с целью повышения величины коэффициента сцепления колес с рельсами большие объемы финансовых средств тратятся на модифицирование тяговой поверхности колеса локомотива песком. Данный способ повышения величины коэффициента сцепления колеса локомотива с рельсом имеет целый ряд негативных последствий. Высокий уровень нестабильности реализуемого коэффициента сцепления при подаче песка в зону контакта колеса с рельсом, высокий уровень интенсивности изнашивания колес и рельсов, появление неравномерного износа поверхностей трения колеса и рельса, запесочивание балластной призмы и в связи с этим сокращение межремонтных циклов и ряд других явлений отрицательно сказываются на общих технико-экономических показателях ж.д. транспорта.

В настоящее время решением проблемы повышения величины и стабильности коэффициента сцепления колес локомотивов с рельсами занимаются специалисты практически всех промышленно-развитых стран. При всей актуальности проблемы модифицирования тяговых поверхностей колеса и рельса с целью повышения величины и стабильности коэффициента сцепления основным и практически единственным серийным методом повышения величины коэффициента сцепления является метод подачи в зону трения колеса с рельсом песка. Применение песка ведет к интенсивному износу колес и рельсов, а также к активному засорению балластной призмы железнодорожного пути.

Известна система смазки поверхности трения, осуществляющая нанесение модификатора (смазки) ротапринтно-контактным способом путем прижатия кромки смазывающего стаканообразного элемента к указанной смазываемой поверхности трения [1].

В основу настоящего изобретения положена задача создания системы для своевременного модифицирования механохимическим способом тяговых поверхностей колеса и (или) рельса, обеспечивая изменение величины и состава промежуточного «третьего тела», и обеспечением максимально возможных уровней величины и стабильности коэффициента сцепления (трения).

Известен «Рельсовый модификатор трениям» [2], состоящий из цемента, жидкого стекла, борного спирта, силиконовой композиции. Недостатком смазки прототипа является малый ресурс работы брикета модификатора.

Известна система защиты локомотива от боксования.

Недостатком всех этих систем является тот факт, что системы включаются уже после начала процесса боксования, когда спонтанно резко возрастает уровень энергетических потерь за счет скачка интенсивности триботермодинамических процессов. Возрастание работы трения за счет резкого роста скольжения в процессе боксования ведет к резкому изменению физико-механических свойств контактирующих поверхностей, к появлению высокого уровня положительных градиентов объемной температуры и соответственно изменению механических свойств. На контакте появляются очаги с аномально низким коэффициентом сцепления, а также очаги мостиков сварки явления схватывания II рода. Данные процессы провоцируют возникновение фрикционных автоколебаний и высокого уровня интенсивности изнашивания. Все это также отрицательно сказывается на надежности и долговечности всех элементов электропривода локомотива.

Способ модифицирования поверхностей трения поясняется фиг.1, где показаны корпус привода подачи 1, установленный на раме тележки локомотива 2, брикеты модификатора трения 3, прижимаемые в нужный момент и на необходимое время к тяговой поверхности колеса локомотива 4.

С целью повышения величины и стабильности коэффициента сцепления колеса с рельсом тяговую поверхность модифицируют путем прижатия к ней пористого тела, обладающего свойством нейтрализации «третьего тела», находящегося на тяговой поверхности.

В качестве основы может применяться пенобетон, содержащий портландцемент (оптимальная тонкость помола 3500 см²/г по ГОСТ 10178), кварцевый песок мелкой фракции 0-0,2 мм, пенообразующее вещество - смола древесная омыленная (СДО ТУ 13-0281078-02-93), жидкое стекло, перманганат калия с введением в него присадок типа кальцинированной соды, т.е. вещество, нейтрализующее продукты нефтяного происхождения, входящие в состав «третьего тела».

На фиг.2 представлена схема трех этапов состояний торцовой поверхности брикета модификатора трения и обрабатываемой поверхности.

С целью обеспечения подачи модификатора трения и требуемой для разрушения (изнашивания) поверхностного слоя предлагаемого брикета модификатора трения силы прижатия его к тяговой поверхности колеса локомотива способ модифицирования предусматривает наличие в его системе управления приводом подачи подсистему прогнозирования начала процесса срыва сцепления. Данная система основана на контроле наличия корреляции между активным моментом на тяговых электродвигателях и реактивным моментом в зоне сцепления колеса с рельсом, фиксируемым, например, путем тензометрирования тангенциальной нагрузки на оси колесной пары. С целью контроля текущих значений величины коэффициента сцепления и прогнозирования его срыва выполняют следующие операции:

а) производится запись колебаний сил фрикционного взаимодействия колеса локомотива с рельсом в нормальном и тангенциальном направлениях, спектральный анализ полученных значений, представление коэффициента сцепления в виде передаточной функции, равной отношению взаимного спектра сил фрикционного взаимодействия в нормальном и тангенциальном направлениях относительно пятна контакта к автоспектру сил фрикционного взаимодействия в нормальном направлении и по результатам анализа годографа передаточной функции, его вещественной и мнимой составляющих, а также на основании сравнения текущих значений составляющих годографа и соотношения между ними с «эталонными» промежуточными и пороговыми данными годографа передаточной функции предварительно полученных на конкретном локомотиве во всех климатических зонах и погодных условиях его эксплуатации;

б) производится запись, анализ частот собственных колебаний привода и уравнения текущих значений с банком данных по значениям собственных частот, записанных ранее для данного локомотива;

в) корреляционный анализ зависимости активного момента силового привода и момента, реализуемого колесными парами, и сравнение данных с предварительно полученными значениями, характеризующими предельное состояние контакта.

В систему управления входят датчики, усилитель сигнала, аналогово-цифровой преобразователь, ЭВМ. Информация с указанных датчиков преобразуется в цифровую форму и при помощи алгоритмов цифровой обработки сигнала (быстрого преобразования Фурье) рассчитываются амплитудно-фазово-частотные характеристики изменения выходных характеристик (момент на тяговых электродвигателях) в зависимости от входных (нормальная нагрузка на ось колесной пары). В ЭВМ осуществляется построение корреляционной зависимости между сигналом и автоспектром, находятся значения корней функционирования системы и выводятся критерии устойчивости движения.

При создании устройства управления в него заносятся результаты стендовых и (или) эксплуатационных испытаний в виде значения корней частотной передаточной функции. При смещении найденных значений этих корней из области устойчивости в область резонанса происходит срыв сцепления колеса с рельсом. В устройстве предусматривают значения для данных корней, выше которых должны срабатывать устройства приводов подачи модификаторов трения.

Используется информация от устройства управления тяговыми электродвигателями, о значениях токов, напряжений, момента скольжения и т.д. Электрические сигналы с датчиков через коммутатор с гальванической развязкой подаются на входы устройства управления, реализующего обработку сигналов. Устройство управления выполнено на микропроцессоре или микроконтроллере. Микропроцессор выполняет слежение за заданным ускорением локомотива, контролирует моменты на валах тяговых электродвигателей, одновременно осуществляется сравнение мгновенных значений входных величин с пороговыми значениями. В зависимости от разности данных величин в реальном масштабе времени формируется управляющий сигнал, воздействующий на регулятор частоты вращения и момента на валах тяговых двигателей либо на устройства подачи активизаторов сцепления (модификаторов трения) в зону контактов с колесами. Учитываются заданная скорость локомотива и величина осевой нагрузки в контакте колес с рельсами. Структура системы управления обеспечивает совместное и раздельное управление сцеплением каждой колесной пары и соответствующим тяговым электродвигателем. На основании полученной информации, поступающей на бортовой компьютер, определяется и анализируется корреляционная связь между активным и реактивным моментами на осях колесных пар, в результате чего вырабатывается управляющее воздействие силовыми приводами и приводами подачи активизатора сцепления (модификатора трения).

Поставленная задача решается способом модифицирования поверхностей трения (фиг.1) при помощи привода подачи модификатора трения, содержащего корпус 1 с возможностью поступательного перемещения брикета модификатора трения 3 в сторону обрабатываемой поверхности под давлением, приводящим данную пористую матрицу к нормированному износу брикета, и управляемого процесса изменения величины и состава «третьего тела» на обрабатываемой поверхности, отличающимся тем, что брикеты модификатора трения подаются в зону трения по сигналу, поступающему от подсистемы прогнозирования начала срыва сцепления (боксования), работающей на основе анализа корреляционной связи между активным и реактивным моментами в силовом приводе локомотива, включающем привод подачи модификатора трения при потере корреляционной связи между активным и реактивным моментами и отключающем привод подачи модификатора трения при наличии корреляции между указанными моментами.

Состав фрикционного модификатора трения отличается тем, что с целью повышения эффективности модифицирования и ресурса брикета модификатора путем повышения емкости пористой основы и ее впитывающего эффекта, состав модификатора дополнительно содержит вещество, например кальцинированную соду, обеспечивающее реакции нейтрализации компонентов «третьего тела» нефтяного происхождения, а также пенообразователь, который приводит к ослаблению физико-механических характеристик пористой матрицы брикета модификатора трения до уровня, при котором предел прочности на сдвиг его поверхностных слоев преодолевается прикладываемой нагрузкой в нормальной и тангенциальной плоскостях. Модификатор трения имеет следующее содержание (мас.%) компонентов:

кальцинированная сода	2-20
кварцевый песок	0-70
жидкое стекло	2-30
портландцемент	5-40
перманганат калия	1-20
пенообразующее вещество	1-20.

Литература

1. Патент РФ №2197677, В.В.Шаповалов, МКИ: F 16 N 11/00; В 61 К 3/02.

2. Патент РФ №2238304, В.В.Шаповалов, МКИ: С 10 М 169/04// (С 10 М 169/04, 125/02, 125/04, 125/08, 125/22, 125/26, 125/28, 101/02, 155/02, 159/04, 143/02); С 10 N 50/02.

1. Ротапринтно-контактный способ модифицирования тяговых поверхностей колеса и рельса, заключающийся в том, что брикет модификатора трения установлен в корпусе с возможностью совершения поступательного перемещения в сторону модифицируемой поверхности трения, отличающийся тем, что прижимают брикет модификатора трения по сигналу, поступающему от подсистемы прогнозирования начала срыва сцепления (боксования), работающей на основе анализа корреляционной связи между активным и реактивным моментами в силовом приводе локомотива, а также анализа амплитудно-фазово-частотной характеристики (АФЧХ) фрикционного контакта и частот собственных колебаний, при этом привод прижатия брикета включают в момент возникновения текущего значения корреляционной связи ниже порогового уровня, который предшествует срыву сцепления для данного локомотива и условий его эксплуатации, а также при возникновении АФЧХ трибоспектра фрикционного взаимодействия колеса с рельсом и появлении частот собственных колебаний, соответствующих состоянию, предшествующему срыву сцепления, и отключают его в момент превышения значения порогового уровня корреляционной связи и появления значений АФЧХ и частот собственных колебаний, соответствующих устойчивой реализации сцепления для данного локомотива и условий его эксплуатации.

2. Модификатор трения, основу которого составляет бетон, содержащий портландцемент, кварцевый песок, жидкое стекло, перманганат калия, отличающийся тем, что имеет форму брикета с пористым внутренним строением, дополнительно содержит кальцинированную соду, обеспечивающую реакции нейтрализации компонентов нефтяного происхождения, находящихся между контактирующими поверхностями трения, а также пенообразующее вещество, которое приводит к ослаблению физико-механических характеристик пористой матрицы брикета модификатора трения до уровня, при котором предел прочности на сдвиг его поверхностных слоев преодолевается прикладываемой нагрузкой в нормальной и тангенциальной плоскостях, при этом модификатор трения имеет следующее содержание упомянутых компонентов, мас.%:

Кальцинированная сода	2-20
Кварцевый песок	0-70
Жидкое стекло	2-30
Портландцемент	5-40
Перманганат калия	1-20
Пенообразующее вещество	1-20