Трибологические аспекты надежности узлов трения подвижного состава: методы исследования и моделирования

Одним из ключевых условий эффективной эксплуатации подвижного состава железнодорожного транспорта является обеспечение надежности узлов трения и повышение их технико-экономических показателей. Статистика отказов показывает, что значительная доля неисправностей приходится именно на эти элементы конструкции. Особый интерес к исследованию трибосистем подвижного состава продиктован специфическими условиями их работы, которые характеризуются ростом скоростей движения и ужесточением требований к тормозному оборудованию. Снижение потерь на трение и изнашивание напрямую связано с выявлением причин разрушения фрикционных узлов и разработкой методов управления комплексом процессов — трибомеханическими, трибоэлектрическими, трибохимическими и иными явлениями, протекающими в зоне фрикционного контакта.

Согласно современным представлениям о двойственной молекулярно-механической природе трения, сопротивление относительному перемещению контактирующих тел складывается из двух основных каналов диссипации энергии. Первый канал определяет деформационную (механическую) составляющую силы трения, связанную с формоизменением поверхностных слоев вследствие упругого и пластического деформирования, а также износа материала. Второй канал диссипации обусловлен необходимостью преодоления молекулярного взаимодействия (адгезии) в точках фактического касания твердых тел. При этом обязательным условием реализации внешнего трения считается соблюдение правила положительного градиента механических свойств, согласно которому сопротивление сдвигу должно возрастать по мере удаления от поверхности контакта вглубь материала.

Исторический анализ исследований трущихся тел убедительно демонстрирует ограниченность односторонних подходов к объяснению природы трения. Механические модели, постоянно усложняясь, достигли определенного совершенства в описании нелинейных законов деформирования фрикционного контакта, механической анизотропии и структурной неоднородности материалов. В рамках адгезионной теории сила трения между несмазывающимися поверхностями интерпретируется прежде всего как усилие, необходимое для разрушения адгезионных связей, возникающих на фактических площадках касания. Дискуссионным остается вопрос о природе молекулярных сил, приводящих к таким явлениям, как схватывание и заедание поверхностей в одних случаях, или формирование пленок переноса — в других.

В современном понимании фрикционное взаимодействие представляет собой многофункциональный процесс, протекающий на локальных микроплощадках контакта тонких поверхностных слоев. Этот процесс сопровождается изменением структуры и механических свойств материалов, возникновением физико-химических, электрических и иных явлений под воздействием температуры, нагрузки, поверхностно-активных веществ и множества других факторов. Сложность проблемы усугубляется чрезвычайной малостью объемов материала, активно участвующих в трении. В этой связи выяснение особенностей поведения поверхностных слоев металлополимерного трибоконтакта становится одной из центральных задач триботехники, требующей разработки как новых методов диагностики, так и более совершенных теоретических моделей, способных учитывать изменения в объеме и пограничном слое и одновременно приводить к инженерным расчетам.

Наиболее сложными и трудоемкими для оптимизации являются триботехнические задачи, решаемые для мобильных фрикционных систем транспорта — железнодорожного, автомобильного, воздушного и водного. Надежность и эффективность таких систем в решающей степени зависят от работоспособности узлов трения: гасителей колебаний, пары «колесо — рельс», муфт сцепления, опор качения и скольжения, зубчатых зацеплений. Практически любая машина или механизм может рассматриваться как фрикционная механическая система (ФМС), состоящая из условно линейной механической подсистемы и существенно нелинейной подсистемы фрикционного контакта (или нескольких контактов).

Существующие методы исследования и расчета ФМС подвижного состава не позволяют в полной мере учитывать сложную нелинейную связь процессов трения с основными и второстепенными факторами, число которых может достигать пятидесяти и более. Для такого количества взаимосвязанных параметров пока не разработаны адекватные математические модели, поскольку учет взаимосвязей требует составления систем со степенями свободы, исчисляемыми сотнями тысяч (например, при рассмотрении 30 факторов с пятью возможными перестановками). Ключевыми вопросами при исследовании динамики систем остаются характер отработки внешних воздействий, особенности переходных процессов и обеспечение устойчивости. Прямой путь решения этих задач — проведение натурных экспериментов с реальными фрикционными узлами и системами автоматического управления.

Свойства любой ФМС проявляются только в процессе функционирования, поэтому оценка ее надежности возможна лишь в реальном масштабе времени путем анализа сигналов с датчиков, установленных на исследуемом узле трения. При этом нелинейный фрикционный узел рассматривается через комплексную функцию коэффициента трения, вычисляемую как отношение взаимной корреляционной спектральной функции колебаний силы трения в тангенциальном и нормальном направлениях к автоспектральной функции виброколебаний нормальной составляющей. Такой подход позволяет описывать нелинейные фрикционные процессы комплексными функциями, что наиболее полно отражает упруго-диссипативную природу трения.

Для решения задач создания надежных и эффективных механических систем с узлами трения, а также разработки методов контроля и прогнозирования их поведения, были созданы теоретические основы трибоспектральной идентификации (ТСИ) и физико-математического моделирования (ФММ) процессов трения и изнашивания. Эти методы дают возможность в реальном времени контролировать динамику фрикционных процессов с учетом реальных силовых и деформационных полей, градиентов температур и изменяющихся физико-механических характеристик контактирующих тел. Реализация такого подхода требует системной методологии, включающей построение математической модели механической системы (условно линейной) и последующее введение в нее физической модели фрикционного узла, полученной методами натурного эксперимента.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Анисимов П.С., Винокуров В.А., Воробьев В. И., и др.

Источник: Подвижной состав железных дорог

Данные публикации будут полезны студентам железнодорожных специальностей (эксплуатация железных дорог, подвижной состав), начинающим специалистам в области локомотивостроения и эксплуатации тягового подвижного состава, а также всем, кто интересуется устройством, классификацией и современными тенденциями развития железнодорожной техники.