Обоснование и разработка рациональной конструкции диска тормоза пассажирского вагона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Титарев, Дмитрий Викторович

• Титарев, Дмитрий Викторович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Титарев, Дмитрий Викторович

1. Обзор публикаций, посвященных применению дискового тормоза на железнодорожном транспорте. Постановка задачи. Допущения.

1.1. Историко-географическая справка.

1.2. Используемые системы торможения и место дискового тормоза в них

1.3. Конструктивное исполнение дисков. Материалы дисков.

1.4. Опыт эксплуатации дисковых тормозов.

1.5. Методы расчета температурных полей при торможении.

1.6. Выводы к главе 1.

1.7. Постановка цели и задач исследования.

1.8. Допущения.

2. Методика расчета нестационарного температурного поля в деталях дискового тормоза.

2.1. Основные уравнения теплопроводности.

2.2. Решение нестационарной температурной задачи методом конечных" элементов.

2.3. Применение метода конечных разностей для решения дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности.

2.4. Методика расчета напряженно-деформируемого состояния деталей дискового тормоза, вызванного температурным полем.

2.5. Пакет прикладнывх программ Heat. Тестовые испытания.

2.6. Выводы к главе 2.

3. Нестационарные температурные поля и напряжения в диске тормоза скоростного вагона.

3.1. Устройство дискового тормоза скоростного вагона.

3.2. Расчетные схемы элементов дискового тормоза для решения контактных задач.

3.3. Физико-механические характеристики материала диска.

3.4. Нестационарное температурное поле в диске тормоза.

3.5. Температурные напряжения в диске.

3.6. Выводы к главе 3.

4. Влияние конструктивного исполнения диска и характеристик материала. Обоснование рациональной конструкции диска.

4.1. Влияние массы диска.

4.2. Нагруженность чугунного диска.

4.3. Нагруженность диска, выполненного из алюминиевого сплава.

4.4. Влияние характера распределения давлений между колодкой и диском.

4.5. Выводы к главе 4.

5. Экспериментальные исследования дискового тормоза.

5.1. Лабораторная установка для исследования коэффициентов трения и конвективного теплообмена на модели.

5.2. Исследование нестационарного температурного поля в модели диска при постоянной скорости скольжения.

5.3. Определение коэффициента трения в контакте накладки и диска.

5.4. Определение коэффициента конвективного теплообмена поверхности диска и окружающей среды.

5.5. Моделирование процесса торможения на натурном образце дискового тормоза.

5.6. Выводы к главе 5.

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Титарев, Дмитрий Викторович

Основные результаты и выводы

В ходе выполненных исследований получены следующие результаты:

1. Разработаны алгоритмы и программы определения воздействий на диск тормоза пассажирского вагона нестационарных температурных полей и напряжений.

2. Обоснованы следующие характеристики рациональной конструкции диска — самовентилирующийся диск, материал диска с высоким значением коэффициента теплопроводности, распределение давлений между накладками и поверхностью торможения диска близкое к равномерному, с использованием результатов анализа нестационарных температурных полей и напряжений в дисках различных исполнений.

3. Определена предпочтительная толщина диска тормоза скоростного вагона - 40 мм на основе исследования влияния толщины стального диска пассажирского вагона на его нагруженность с учетом нестационарных температурных полей. Выявлено неоднозначное влияние толщины диска на уровень возникающих в процессе торможения температур и напряжений.

4. Проведены расчеты и анализ влияния конструктивного исполнения диска на его нагруженность. Выявлено, что оребрение диска весьма активно участвует в процессе теплопередачи. Установлено, что алюминиевый диск прогревается быстрее и более равномерно, чем чугунный, к концу торможения температура по всему объему щеки практически выравнивается. Оребрение алюминиевого диска работает более эффективно, чем чугунного. В алюминиевом диске возникают напряжения в 3,4 раза меньше чем в чугунном. Высокое значение коэффициента теплопроводности материала диска способствует быстрому прогреванию объемов материалов, удаленных от поверхности торможения, более равномерному распространению температур по объему, снижению градиентов температур по толщине диска и, в конечном счете, снижению температурных напряжений. Самовентелирующийся диск обеспечивает лучшее распределение температурных полей и напряжений, чем сплошной.

5. Исследовано влияние распределения контактных давлений на на-груженность диска. Установлено, что наиболее сильное влияние на уровни температур и напряжений, возникающих в диске тормоза в процессе торможения, оказывают распределение контактных давлений по поверхности торможения диска. Наиболее благоприятным является равномерное распределение давлений. Одним из перспективных направлений в совершенствовании дискового тормоза является разработка конструкции тормозного башмака, обеспечивающее распределение давлений на поверхности торможения, близкое к равномерному.

6. Разработана и изготовлена лабораторная установка, позволяющая исследовать зависимость коэффициента трения и коэффициента конвективного теплообмена в условиях, характерных для натурного объекта. Получена экспериментальная зависимость коэффициента трения от скорости скольжения для пары тел: стальной диск и накладка из металлокерамики ФМК11. Получена экспериментальная зависимость коэффициента конвективного теплообмена от скорости воздушного потока, обтекающего диск. Она дает значение коэффициента, близкое к определяемому с использованием эмпирической зависимости, рекомендованной в работе [23].

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Титарев, Дмитрий Викторович, 2008 год

1. Автотормоза скоростных и тяжеловесных поездов / под ред. Гребеню-ка П.Т. -М.: Транспорт, 1979. -152 с.

2. Александров М.П., Лысяков А.Г., Федосеев В.Н., Новожилов М.В. Тормозные устройства: Справочник М.: Машиностроение, 1985. - 312 с.

3. Алукер И.Г., Гинзбург А.Г., Чичинадзе A.B. Расчет трения износа в тормозах и муфтах с помощью системы уравнений тепловой динамики трения / Теория и практика расчетов деталей машин на износ. М.: Наука, 1982. С. 85-89.

4. Асадченко, В. Р. Расчет пневматических тормозов железнодорожного подвижного состава./В.Р. Асадченко. -М.: Маршрут. 2004. - 120 с.

5. Бахвалов Н.С. Численные методы. М.: Наука, 1975. - 631 с.

6. Богданович, П. Н. Оценка триботехнических характеристик композиционных материалов для тормозных колодок при малых скоростях скольжения / П. Н. Богданович, Э. И. Галай // Вестник ВНИИЖТ, №2, 2005. с. 21-24. .

7. Браун Э.Д. Научные основы оценки трения и изнашивания фрикционных устройств на базе моделирования эксплуатационных условий: Автореф. дисс. докт. техн. наук: 05.02.04. М.: 1982. 40 с.

8. Браун Э.Д. Фрикционные устройства // Трение, изнашивание и смазка, Т II М.: Машиностроение, 1979 - С. 230-256.

9. Браун, Э. Д. Моделирование трения и изнашивания в машинах/ Э.Д. Браун, Ю.А. Евдокимов, A.B. Чичинадзе. М.: Машиностроение. — 1982. — 191 с.

10. Буше H.A. Трение, износ и усталость в машинах: Транспортная техника. — М.: Транспорт, 1987. 223 с.

11. Вагоны: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / Л.А. Шадур, И.И. Челноков, Л.Н. Никольский, E.H. Никольский, В.Н. Котуранов и др.; под ред. Л.А. Шадура. М.: Транспорт, 1980. 439 с.

12. Вуколов JI.А. Сравнительные характеристики железнодорожных колодок различных поставщиков/ Л.А. Вуколов, В.А. Жаров // Вестник ВНИИЖТ, №2, 2005.-С. 16-20.

13. Вуколов Л.А., Успенский В.К. Управление колодочными и дисковыми тормозами с колодками и накладками из композиционного материала. — М.: ВИЛО МПС, 1963. 22 с.

14. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1975. -872 с.

15. Горячева И.Г. Механика фрикционного воздействия. М.: Наука, 2001. — 478 с.

16. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир, 1984. — 428 с.

17. Германчук Ф.К. Долговечность и эффективность тормозных устройств. М.: Машиностроение, 1973. -176 с.

18. Гинзбург А.Г., Чичинадзе A.B. К расчету износа при торможении с применением системы уравнений тепловой динамики трения // Трение и износ фрикционных материалов. -М.: Наука, 1977. С. 26-29.

19. Джонсон К.Л. Механика контактного взаимодействия М.: Мир, 1989. -503 с.

20. Задачи нестационарного трения в машинах, приборах и аппаратах / под ред. A.B. Чичинадзе. М.: Наука, 1978. - 247 с.

21. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. -350 с.

22. Иноземцев В.Г. Эксплуатационные испытания электропоезда ЭР200 / В.Г. Иноземцев, Л.В. Гуткин, A.A. Львов // Железнодорожный транспорт, 1978,N11.-С. 56-59.

23. Иноземцев В.Г., Гребенюк П.Т. Нормы и методы расчетов автотормозов. — М.: Транспорт, 1971. 68 с.

24. Иноземцев, В. Г. Автоматические тормоза / В. Г. Иноземцев, В. М. Казари-нов, В. Ф. Ясенцев. М.: Транспорт. - 1981. - 464 с.

25. Инструкция по эксплуатации тормозов подвижного состава железных дорог. -М.: Транспорт, 1988. 159 с.

26. Исследование высокоскоростного поезда ЭР200 / под ред. В.Г. Иноземцева. -М.: Транспорт, 1985. 87 с.

27. Казаринов В.М., Иноземцев В.Г., Ясенцев В.Ф., Теоретические основы проектирования и эксплуатации автотормозов. М.: Транспорт, 1968. — 400 с.

28. Казаринов А. В., Погребинский М. Г., Крылов В. В., Бесценная О. В., Испытания тормозной системы электропоезда ЭР200/2 // Вестник ВНИИЖТ, №2, 1996.-С. 41-45.

29. Кеглин Б.Г., Киницкая А.П. Эксплуатационная нагруженность тормозов грузового вагона // Вестник ВНИИЖТ. 1978. - №4. - С. 30-32.

30. Киселев С. Н. Температурные поля, деформации и напряжения в цельнока-танных вагонных колесах при различных режимах торможения / С.Н. Киселев, В.Г. Иноземцев, С.Ю. Петров, A.C. Киселев // Вестник ВНИИЖТ, №7. 1994. - С. 13-17.

31. Ковальский Б.С. Напряжения на участке местного сжатия при учете сил трения // Известия АН СССР, 1942.

32. Конструирование и расчет вагонов / В.В. Лукин, JI.A. Шадур, В.Н. Коту-ран, A.A. Хохлов, П.С. Анисимов; под ред. В.В. Лукина. М.: УМК МПС России, 2000. 731 с.

33. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. — Киев: Техника, 1970. -394 с.

34. Крагельский И.В. и др. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. — 526 с.

35. Крагельский И.В. Трение и износ. — М.: Машиностроение, 1968. 480с.

36. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин. Справочник М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.

37. Крылов, В. И. Автоматические тормоза подвижного состава/ В. И. Крылов,

38. B. В. Крылов. М.: Транспорт. - 1983. - 360 с.

39. Куркин A.C., Павлович A.A. Алгоритм расчета нестационарных температурных полей в массивных деталях // Известия Вузов. 1987. - №2. —1. C. 102-106.

40. Литовченко Е.П. Термонапряженное состояние вагонных колес симметричного профиля при различных режимах торможения // Труды ВНИИЖТ. 1970. Вып. 425. С. 187-205.

41. Литовченко Е.П., Артамонов В.М. Влияние тепловых режимов торможения на напряженное состояние цельнокатаных вагонных колес // Вестник ВНИИЖТ. 1979. №8. - С. 35-38.

42. Лыков A.B. Тепломассообмен: (Справочник). 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 1978. 480 с.

43. Малютин М.В., Ким С.Х., Коржов Е.А. О влиянии коэффициента взаимного перекрытия на фрикционные свойства пар трения в многодисковых тормозах // Решение задач тепловой динамики и моделирование трения и износа. М.: Наука, 1980. С. 134-139.

44. Металлокерамические тормозные колодки на мощных локомотивах // Железные дороги мира. №5. - 2003. - С 48-54.

45. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. -344 с.

46. Михин Н.М. Внешнее трение твердых тел. М.: Наука, 1977. - 221 с.

47. Налев, И. А. Опыт разработки и производства железнодорожных композиционных тормозных колодок в ОАО «ФРИТЕКС» / И. А. Налев, Д. А. Дружков, Н. А. Страхов // Вестник ВНИИЖТ, №4, 2002. С 48-51.

48. Неклюдова, Г.А. Напряженно-деформированное состояние бандажных колес подвижного состава с дисковыми и спицевыми центрами / Диссертация на соискание ученой степени канд. тех. наук. Брянск. БИТМ. 1990 — 191 с.

49. Неклюдова Г.А. Влияние условий торможения на распределение температурных полей и напряжений в бандажных колесах локомотивов // Динамика и прочность транспортных машин. Брянск, 1994. — С. 46-55.

50. Неклюдова Г.А., Тищенко П.А., Сакало В.И. Решение нестационарной температурной задачи для деталей дискового тормоза скоростного вагона // Современные проблемы механики и прикладной математики, Воронеж, 2002.-С. 33-38.

51. Никольская Э.Н. Метод расчета термических напряжений в колесах подвижного состава// Труды ВНИТИ. Коломна. — 1971. Вып. 36. С. 101-108.

52. Новацкий В. Теория упругости. М.: Мир, 1975. - 872 с.

53. Новиков С.П. Напряженно-деформированное состояние в области контакта массивных деталей и оболочек: Дис. канд. тех. наук. Брянск: БГТУ, 2002. -197 с.

54. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов. М.: Мир, 1981.-304 с.

55. Оптимальное использование фрикционных материалов в узлах трения машин / под ред. Чичинадзе A.B. М.: Наука, 1973 - 139 с.

56. Пархомов В.Т. Устройство и эксплуатация тормозов: учеб. для техн. школ. М.: Транспорт, 1994. - 208 с.

57. Перспективы развития автоматических тормозов железнодорожного подвижного состава / под ред. Ясенцева В.Ф. М.: Транспорт, 1983. - 112 с.

58. Першин В. К. Моделирование тепловых режимов при фрикционном взаимодействии колеса и тормозной колодки / В. К. Першин, Л. А. Фишбейн // Транспорт Урала. №1(4). - 2005.

59. Петров H.H. Исследование тормозных дисков: Автореф. дисс. канд. техн. наук: 05.05.03. Л.: 1974. - 16 с.

60. Польцер Г., Майсснер Ф. Основы трения и изнашивания. — М.: Машиностроение, 1984.-263 с.

61. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. М.: Энергия, 1971. - 213 с.

62. Потенциал и пределы возможностей колодочного тормоза // Железные дороги мира. №4. - 2004. - С. 35-45.

63. Правила тяговых расчетов для поездной работы.- М.: Транспорт. -1985. -287 с.

64. Развитие теории контактных задач в СССР. М.: Наука. 1976. - 492 с.

65. Раков В.А. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав железных дорог Советского Союза. 1976-1985. — М: Транспорт: 1990. 236 с.

66. Расчет и проектирование пневматической и механической частей тормозов вагонов / П.С. Анисимов, В.А. Юдин, А.Н. Шамаков, С.Н. Коржин; под ред. П.С. Анисимова. -М.: Маршрут,2005. 248с.

67. Сакало В.И., Тищенко П.А., Шевченко К.В., Юхневский A.A. Распределение контактных давлений по поверхности тормозного диска скоростного вагона при экстренных торможениях // Динамика и прочность транспортных машин. Брянск, 2000. - С. 125-136.

68. Сегерлинд JL Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. -392 с.

69. Серенсен C.B., Когаев В.П.,Шнейдерович В.М. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. Руководство и справочное пособие. Изд. 3-е, перераб. и доп. / под ред. C.B. Серенсена. М.: Машиностроение, 1975.-488 с.

70. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин. Киев: Наук. думка, 1979. 169 с.

71. Совершенствование тормозных систем // Железные дороги мира. №11. -2001.-С. 40-44.

72. Современные тормозные системы // Железные дороги мира. №4. - 2003. -С. 40-44.

73. Справочник по триботехнике / под ред. М. Хебды и A.B. Чичинадзе. М.: Машиностроение, 1989. — 400 с.

74. Справочник по электроподвижному составу, тепловозам и дизельпоездам / под ред. А.И. Тищенко. М.: Транспорт, 1976. 432 с.

75. Старченко, В. Н. Фрикционные материалы на базе углерод-углеродных и углерод-асбестовых волокон для тормозных устройств / В. Н. Старченко, В. А. Турин, В. П. Быкадоров, Е. Н. Шапран // Железные дороги мира. -№2.-2006.-С. 38-42.

76. Тимошенко С.П., Гудьер Д. Теория упругости. М.: Наука, 1975. - 575 с.

77. Титарёв Д.В., Сакало В.И. Нестационарные температурные поля и напряжения в дисках тормозов железнодорожного подвижного состава // Транспорт Урала, 2007, N4(15). С. 74-79.

78. Титарёв Д.В., Сакало В.И. Методика расчета нестационарного температурного поля в деталях дискового тормоза скоростного вагона // Вестник

79. Брянского государственного технического университета, №2, 2004. — С. 58-64.

80. Титарёв Д.В., Сакало В.И. Нестационарные температурные поля и напряжения в дисках тормозов скоростных вагонов // Тяжелое машиностроение, 2007, N8.-С. 29-33.

81. Тищенко, П.А. Нестационарные температурные поля в элементах дискового тормоза скоростного вагона с учетом нестабильности теплового контакта: дис. канд. техн. наук/ П.А. Тищенко. Брянск, 2003. - 175 с.

82. Тищенко П.А., Сакало В.И. Алгоритм решения трехмерных контактных задач // Динамика и прочность транспортных машин. Брянск, 1998. С. 156-160.

83. Тищенко П.А., Сакало В.И. Расчет нестационарного температурного поля диска дискового тормоза при условии контакта по номинально плоским поверхностям // Динамика и прочность транспортных машин. Брянск, 1998. С. 33-37.

84. Тормозное оборудование железнодорожного подвижного состава: Справочник/ В. И. Крылов, В. В. Крылов, В. Н. Ефремов, П. Т. Демушкин. М.: Транспорт. - 1989. - 487 с.

85. Тормозные диски из керамики // Железные дороги мира. №9. - 2000. — С. 5.

86. Турков А.И., Федосеев Ю.П. Влияние конструкции тормозных накладок на фрикционные характеристики дискового тормоза железнодорожного вагона // Вестник машиностроения. 1978. №4. - С. 32-34.

87. Тяговые расчеты: Справочник / П.Т. Гребенюк, А.Н. Долганов, А.И. Скворцова; под ред. П.Т. Гребенюка. М: Транспорт, 1987. 272 с.

88. Фадеев Д.К., Фадеева В.Н. Вычислительные методы линейной алгебры. M.JL: Физматгиз, 1963. 734 с.

89. Фридман В.М., Чернина B.C. Решение задачи о контакте упругих тел итерационным методом. МТТ, АН СССР. - №1. - 1976. - С. 116-117.

90. Фрикционные материалы для тормозов // Железные дороги мира. №7. — 2003.-С. 43-47.

91. Чиркин, В. С. Теплопроводность промышленных материалов. М.: Маш-гиз, 1962.-247 с.

92. Чичинадзе А.В. Расчет и исследование внешнего трения при торможении. -М.: Наука, 1967.-231 с.

93. Шабров Н.Н. Метод конечных элементов в расчетах деталей тепловых двигателей. Д.: Машиностроение, 1983. — 214 с.

94. Штаерман И .Я. Контактная задача теории упругости. — М.Л.: Гостехиздат, 1949.-270 с.

95. Wilson E.L., Bathe K.J., Peterson F.E. Finite element analysis of linear and nonlinear heat transfer. -Nucl. Eng. Des., 1974, v.29, №1, P. 149-167.

96. Jonson M.R., Welch R.E., Yeng K.S. Analysis of Thermal Stress and Residual Stress Changes in Railroad Wheels Caused by Severe Drag Braking. Jornal og Engineering for Industry (ASME), 1977. vol. 99, series B, №1. - P. 18-23.