CC BY
29
Факторы, влияющие на величину 22, представлены в виде структурной схемы на рисунке 7.
Рисунок 7 - Структурная схема факторов, оказывающих влияние на величину дефектного слоя
металла колеса, содержащего ползун
Дальнейшие исследования в этой области позволят разработать математические модели для определения величины дефектного слоя колеса с учетом условий эксплуатации, алгоритм и методические рекомендации по назначению оптимального припуска на механическую обработку колеса в ремонтном производстве, что станент основой продления срока службы колеса.
Список литературы
1. Обрывалин, А. В. Восстановление профиля катания вагонных колес повышенной твердости с эксплуатационными дефектами термомеханического происхождения [Текст] / А. В. Обрывалин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. -№ 4 (12). - С. 30 - 34.
2. Маталин, А. А. Технология машиностроения [Текст] / А. А. Маталин. - СПб: Лань, 2008. - С. 253 - 255.
References
1. Obryvalin A. V. Regenerative repair of the driving profile of carload wheels of the increased hardness with thermomechanical operational defects [Vosstanovlenie profily kataniy vagonnih koles povishennoi tverdosti s ekspluatacionnimi defektami termomehanicheskogo proishogdeniy]. Izvesti-ia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2012, no. 4 (12), pp. 30 - 34.
2. Matalin A. A. Tehnologiy mashinostroeniy [Technology of mechanical engineering]. St. Petersburg: Lan', 2008, pp. 253 - 255.
УДК 629.423.31; 621.822
Ш. С. Файзибаев, Г. А. Хромова, М. А. Махамадалиева
ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ КОНТАКТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ГИДРОФРИКЦИОННОМ ГАСИТЕЛЕ КОЛЕБАНИЙ ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА
В статье предлагается численно-аналитический метод, основанный на методе граничных элементов (Method of Boundary Elements Technology), который служит для оценки закономерностей изменения температурных полей в рабочей жидкости в гидрофрикционном гасителе колебаний телескопического вида при изменении температуры окружающей среды. Данный метод учитывает физико-механические свойства рабочей
жидкости, температуру налива и окружающей среды, скорость движения электроподвижного состава и высоту налива рабочей жидкости.
Анализ исследований по расчету демпферов для высокоскоростного электроподвижного состава показал, что почти во всех конструкциях рессорного подвешивания современных электропоездов применяются гидрофрикционные демпферы различного типа с совмещением свойств как фрикционного, так и гидравлического трения с системами автоматизированного контроля (например, во Франции, Германии, Испании, Швейцарии, Японии, России и Узбекистане). Кроме того, в существующих методиках расчета до настоящего времени не были учтены влияние повышенной скорости движения, физико-механические свойства рабочей жидкости, тепловые контактные процессы, объемная конфигурация тепловых полей, возникающих в гидравлических гасителях колебаний.
Известно, что при прохождении жидкости через дроссельные каналы гасителя возникает вязкое трение, в результате чего механическая энергия колебательного движения железнодорожного транспортного средства превращается в тепловую, которая затем рассеивается в окружающую среду. Воздействие тепловой энергии на детали гасителя колебаний, и особенно на рабочую жидкость, вызывает изменение силовой характеристики и влияет на работоспособность гасителя колебаний в целом. Это объясняется в первую очередь объемным и линейным расширением деталей, изменением вязкости рабочей жидкости и физических свойств резиновых деталей гасителя. Особенно заметно температурное воздействие в начальный момент работы гасителя колебаний после долгой стоянки подвижного состава. Этот переходный процесс характеризуется резким изменением температурного поля всего гасителя колебаний и, как следствие, значительными внутренними температурными деформациями и изменением режима работы. Особенно сильное влияние при этом испытывают детали гасителя колебаний, выполненные из разнородных материалов, так как имеют различные коэффициенты теплопроводности, геометрические размеры и массу и, следовательно, не одинаковое во времени линейное или объемное расширение. Кроме того, температурное поле гасителя колебаний имеет несимметричную форму из-за направления встречного потока воздуха, зависящего от скорости движения электроподвижного состава, а также от скорости и направления ветра в произвольный момент времени. Форму температурного поля в значительной степени может искажать солнечная радиация, которая в свою очередь может менять направление, интенсивность и угол падения на поверхность гасителя колебаний, а может пропадать совсем.
Для того чтобы иметь возможность при конструировании новых гасителей колебаний или при модернизации и ремонте существующих наиболее правильно подбирать материалы, рабочую жидкость и геометрические размеры деталей, необходимо точно знать форму температурных полей в элементах гасителя колебаний при его работе.
До настоящего времени вопросу распределения температурного потока в гидравлических гасителях колебаний практически не уделялось никакого внимания ввиду сложности получающихся задач и наличия множества переменных внешних факторов, приводящих к сложным граничным условиям. Однако учет температурных воздействий на детали гидравлического гасителя может значительно скорректировать его силовые и эксплуатационные характеристики и позволит целенаправленно создавать системы автоматической температурной компенсации параметра сопротивления.
Кроме того, до настоящего времени выполнено мало исследований по изучению температурных полей с использованием трехмерного уравнения теплопроводности [1 - 3]. Точное аналитическое решение этого уравнения затруднительно, поэтому авторами данной статьи разработан численно-аналитический прикладной метод для инженерных расчетов, учитывающий данные экспериментальных исследований и эксплуатации. Данный метод базируется на технологии граничных элементов с применением кусочно-линейной аппроксимации.
Поставим задачу математического моделирования процесса распределения температурного потока в гидрофрикционных гасителях колебаний длиной Ь и диаметром Б с целью определения температурных полей в зависимости от физико-механических свойств рабочей
50 ИЗВЕСТИЯ Транссиба _№ 1(21) 2015
жидкости, температуры налива (Тнал), температуры окружающей среды (Тср), скорости движения электроподвижного состава V и высоты налива. Рабочая жидкость заливается в гидрофрикционный гаситель колебаний на высоту (D - И).
Используем для модели оценки закономерностей изменения температурных полей трехмерное уравнение теплопроводности в цилиндрических координатах г, р и ъ согласно рекомендациям работ [1 - 3] в виде:
_ _дТ
V2T-F(T)— = F1(T) • Ф(г,0, (1)
dt
где обозначено
V2T = 1 А
r dr
г дТл r— dr
1 д2Т д2Т
+ ^—7 + —7, (2)
r2 дф2 dZ2 ()
с начальным условием в виде
Т (r, ф, Z, 0) = Тнал ; 0 ; 0 < r < D/2 (3)
и граничными условиями по аналогии с работой [7].
Находим собственные функции для уравнения (2) с использованием метода Фурье в предположении
Т = U (ф) •V (Z) W(r) (4)
в виде цилиндрических гармоник вида:
Т±Кт (г, ф, 2) = е±К2 • 2т (Кг) • (а • еов(тф) + р • вт(тф)); (5)
Т±ко (г, ф, 2) = е^ • (Кг) • (а + р • ф); (6)
тз
Тот(г,ф2) = (а + Ь • 2) • (А • гт + — ) • (а^ ооз(тф) + р • зт(тф)); (7)
г
Т00(г,<\>,г) = (а + Ь-г)-(А + В-Сп-г)-(а + $-<\>Х (8)
где 2т(£) - цилиндрическая функция; в частности, в нашем случае при ограниченности решения Т при г = 0 2т(£) - функция Бесселя первого рода - 1Ш(0. В результате численного решения проводится анализ системы трех нелинейных уравнений вида:
й 2
и(ф) + т2 •и(ф) = 0; (9)
d ф2
d2
dZ2
V(Z) - K2 V(Z) = 0; (10)
d2 __ ч 1 d __ ч m2
^ 2 V(г) + - — V(г) + (к2--г ) • V(г) = 0. (11)
аг г аг г
Функции F(T) и F1(T) в нелинейном уравнении (1) берутся согласно экспериментальным данным и имеют вид:
Р (Т) =
^н (Т) -рн (Т) Кн (Т)
Р(Т) =
а
С (Т) -рн (Т)
(13)
где введены обозначения: Сн(Т), Кн(Т), рн(Т) - переменные значения теплоемкости, коэффициента теплопроводности и плотности рабочей жидкости, зависящие от температуры.
Данные приняты по результатам экспериментальных исследований [4, 5, 7]. На рисунках 1 - 3 представлены графики для тепловых полей, возникающих в гидрофрикционном гасителе колебаний типа КВЗ-ЛИИЖТ. При этом свойства рабочих жидкостей варьировались на основании осредненных данных методом кусочно-линейной аппроксимации с шагом в 1 °С [4, 5, 7].
Рисунок 1 - Изотермические линии в корпусе рабочего цилиндра гидрофрикционного гасителя колебаний
Программа для трехмерного моделирования тепловых контактных процессов, возникающих в гидравлических гасителях колебаний телескопического типа, составлена для среды программирования МаШСаё 14. Она строится по модульному принципу численного расчета и основана на методе кусочно-линейной аппроксимации и методе граничных элементов. Частотные уравнения для собственных функций решаются методом итераций.
Тепловой поток направлен от вертикальной оси симметрии гасителя в радиальном направлении и равномерно распределен по всему объему гасителя колебаний. Основной излучающей поверхностью является наружная поверхность рабочего цилиндра гасителя колебаний (см. рисунок 1). На этом графике построены линии равной температуры в стенке корпуса рабочего цилиндра (изотермические линии) с учетом процесса теплопередачи в материале.
Рисунок 2 - График в полярных координатах распространения теплового потока в «однородном» гасителе вокруг вертикальной оси по высоте рабочего цилиндра
Рисунок 3 - Пространственная модель распределения температурного поля в гидравлическом гасителе колебаний при фиксированном значении времени по его высоте
№ 1(21) 2015
На рисунке 2 показан график распространения теплового потока в гидравлическом гасителе типа КВЗ-ЛИИЖТ вокруг вертикальной оси при варьировании высоты рабочего цилиндра.
На основании проведенных расчетов установлена средняя скорость распространения тепла в гасителе колебаний, среднее значение которой оказалось равным 0,0114 м/с.
На рисунке 3 представлен график распределения по высоте температурного поля внутри гидрофрикционного гасителя колебаний при установившемся режиме работы для одного значения времени. На графике рисунка 3 отчетливо видно, что температура в верхней части рабочего цилиндра несколько выше, чем в нижней. Это хорошо подтверждает закон конвекции: теплые слои жидкости поднимаются вверх, а более холодные опускаются вниз. Малая разница температур верхней зоны и нижней объясняется тем, что при работе гасителя колебаний происходит активное перемешивание рабочей жидкости внутри цилиндра, благодаря чему значения температуры выравниваются.
В результате предлагается численно-аналитический метод, основанный на методе граничных элементов (Method of Boundary Elements Technology), который служит для оценки закономерностей изменения температурных полей в рабочей жидкости в гидрофрикционном гасителе колебаний телескопического вида при изменении температуры окружающей среды. Данный метод учитывает физико-механические свойства рабочей жидкости, температуру налива и окружающей среды, скорость движения электроподвижного состава и высоту налива рабочая жидкости.
В результате проведенных численных исследований установлено, что
температура в верхней части рабочего цилиндра незначительно превышает температуру в его нижней части; изменение температуры внутри гасителя колебаний происходит по линейному закону, равномерно во всех радиальных направлениях, при этом в верхних сечениях (над поршнем) скорость увеличения температуры выше, чем в нижних;
в процессе работы гаситель колебаний подвижного состава вместе с рабочей жидкостью сильно нагревается. При этом резко снижается параметр сопротивления гасителя колебаний. Следовательно, необходимы меры по автоматической регулировке параметра сопротивления в зависимости от температуры окружающего воздуха и самого гасителя колебаний;
температурное поле гасителя колебаний имеет несимметричную форму из-за направления встречного потока воздуха, зависящего от скорости движения электроподвижного состава, а также от скорости и направления ветра в произвольный момент времени (см. рисунок 3).
Список литературы
1. Численные методы в динамике жидкости [Текст] / Э. Джеймсон, Т. Мюллер и др. - М.: Мир, 1985. - 54 с.
2. Роуч, П. Вычислительная гидродинамика [Текст] / П. Роуч. - М.: Мир, 1980. - 616 с.
3. Пасконов, В. М. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена [Текст] / В. М. Пасконов, В. И. Полежаев, Л. А. Чудов. - М.: Наука, 1984. - 288 с.
4. Соколов, М. М. Гасители колебаний подвижного состава: Справочник [Текст] / М. М. Соколов, В. И. Варава, Г. М. Левит. - М.: Транспорт, 1985. - 216 с.
5. Челноков, И. И. Гидравлические гасители колебаний пассажирских вагонов [Текст] / И. И. Челноков. - М.: Транспорт, 1975. - 73 с.
6. Глущенко, А. Д. Model and numeric investigation of impuls contact fields of interface layers [Текст] / А. Д. Глущенко, Ш. С. Файзибаев, С. А. Хромов // Boundary Element Technology XIV. - Орландо, 2001. - С. 257 - 263.
7. Алгоритм для численных исследований гидравлических гасителей колебаний для высокоскоростного электрического транспорта [Текст] // Ш. С. Файзибаев, Г. А. Хромова и др. / Сб. тр. междунар. науч.-практ. конф. «Локомотивы XXI век» / Петербургский гос. ун-т путей сообщения. - СПб, 2013. - С. 77 - 79.
№ 1(21) лл<« с ИЗВЕСТИЯ Транссиба 53
=2015 ■
References
1. Jameson E., Muller T., Ballhaus U., Kraus V., Belocerkovskiy O. Chislennie metodi v dina-mike jidkosti (Numerical methods in fluid dynamics). Moscow: Mir Publ., 1985, 54 p.
2. Patrick J. Roache Vychislitelnaya gidrodinamika (Computational Fluid Dynamics). Moscow: Mir Publ., 1980, 616 p.
3.Paskonov V. M., Polejaev V. I., Chudov L. A., Chislennoe modelirovaniyaprocessov teplo i massoobmena (Numerical modeling of heat and mass transfer). Moscow: Nauka Publ., 1984, 288 p.
4. Sokolov M. M., Varava V. I., Levit G. M., Gasiteli kolebaniy podvijnogo sostava (Vibration dampers of rolling stock). Moscow: Transport Publ., 1985, 216 p.
5. Chelnokov I. I., Gidravlicheskie gasiteli kolebaniy passajirskih vagonov (Hydraulic dampers of passenger cars). Moscow: Transport Publ., 1975, 73 p.
6. Glushenko A. D., Faizibaev Sh. S., Khromov S. A. Model and numeric investigation of impuls contact fields of interface layers (Boundary Element Technology XIV). - Orlando, 2001, pp.257 - 263.
7. Faizibaev Sh. S., Khromova G. A., Khromov S. A., Mahbubov A. R. The algorithm for numerical studies hydraulic shock absorbers (dampers) for high-speed electric vehicles [Algoritm dlya chislennix issledovanij gidravlicheskix gasiteley kolebanij dlya visokoskorostnogo elektricheskogo trasporta]. Sbornik trudov Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii «Lokomotivy XXI vek» (In proceedings of the International scientific-practical conference «Locomotives XXI century»). - St. Petersburg, 2013, pp. 77 - 79.
УДК 621.315:621.317
А. А. Кузнецов, А. Ю. Кузьменко, Е. А. Кротенко
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ГИРЛЯНДАХ ИЗОЛЯТОРОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ
В статье рассмотрены основные виды повреждений изоляторов контактной сети, приведена статистика по их отказам. Выявленные недостатки в существующих методах диагностирования говорят об актуальности проблемы, особенно на участках железных дорог постоянного тока. Произведены экспериментальные исследования по измерению напряженности электростатического поля на гирляндах изоляторов. Анализ проведенных исследований показал, что наличие в гирлянде неисправных изоляторов приводит к увеличению напряженности электростатического поля вокруг них.
Предложены техническое устройство бесконтактного измерения электростатического поля и методика определения неисправного изолятора в гирлянде.
Определяющими причинами отказов контактной сети, влияющими на безопасность движения в хозяйстве электрификации и электроснабжения, являются перекрытие и разрушения изоляторов контактной сети (21 %), обрывы и пережоги проводов (19 %), разрушение зажимов (11 %), нарушение регулировки контактной сети (10 %), обрывы струн (7 %) [1].
На участках контактной сети постоянного тока преимущественно используются подвесные фарфоровые изоляторы тарельчатого типа. Повреждения фарфоровых подвесных изоляторов приводят к сбою движения поездов, а в некоторых случаях и к большим перерывам, необходимым для восстановления поврежденных конструкций. Среди общего числа неисправностей подвесных изоляторов контактной сети преобладающими являются механические повреждения. Подобные разрушения изоляторов часто происходят при неблагоприятных метеорологических условиях (в период сильных ветров и автоколебаний проводов, при низкой температуре окружающей среды).
