RU2343450C2 - Frictional unit test technique - Google Patents

Frictional unit test technique Download PDF

Info

Publication number
RU2343450C2
RU2343450C2 RU2006121024/28A RU2006121024A RU2343450C2 RU 2343450 C2 RU2343450 C2 RU 2343450C2 RU 2006121024/28 A RU2006121024/28 A RU 2006121024/28A RU 2006121024 A RU2006121024 A RU 2006121024A RU 2343450 C2 RU2343450 C2 RU 2343450C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
model
friction
ratio
contact
mechanical
Prior art date
Application number
RU2006121024/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2006121024A (en
Inventor
Владимир Владимирович Шаповалов (RU)
Владимир Владимирович Шаповалов
н Александр Вартанович Челохь (RU)
Александр Вартанович Челохьян
гов Александр Михайлович Луб (RU)
Александр Михайлович Лубягов
Владимир Борисович Воробьев (RU)
Владимир Борисович Воробьев
Петр Николаевич Щербак (RU)
Петр Николаевич Щербак
бкин Андрей Львович Оз (RU)
Андрей Львович Озябкин
Виктор Анатольевич Могилевский (RU)
Виктор Анатольевич Могилевский
Екатерина Станиславовна Окулова (RU)
Екатерина Станиславовна Окулова
Михаил Борисович Шуб (RU)
Михаил Борисович Шуб
Эдуард Соломонович Бутов (RU)
Эдуард Соломонович Бутов
Шамиль Владимирович Кикичев (RU)
Шамиль Владимирович Кикичев
Денис Сергеевич Зайкин (RU)
Денис Сергеевич Зайкин
Александр Евгеньевич Родин (RU)
Александр Евгеньевич Родин
Дмитрий Сергеевич Коновалов (RU)
Дмитрий Сергеевич Коновалов
Анатолий Александрович Александров (RU)
Анатолий Александрович Александров
Павел Викторович Харламов (RU)
Павел Викторович Харламов
Владимир Николаевич Воронин (RU)
Владимир Николаевич Воронин
Игорь Александрович Шапошников (RU)
Игорь Александрович Шапошников
Original Assignee
Владимир Владимирович Шаповалов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Владимир Владимирович Шаповалов filed Critical Владимир Владимирович Шаповалов
Priority to RU2006121024/28A priority Critical patent/RU2343450C2/en
Publication of RU2006121024A publication Critical patent/RU2006121024A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2343450C2 publication Critical patent/RU2343450C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: physics; testing.
SUBSTANCE: invention refers to mechanical frictional unit test techniques. Mechanical systems of object and model friction mechanical systems (FMS) consist of subsystems. Mechanical subsystems are described by combined similar linearised differential equations, while processes on frictional contact (FC) of "object" and "model" are described by similar mathematical models, regression equation received at natural experiment. Required "object" and "model" parameter ratio is provided. Triboparameters FMS are measured while testing. Friction factor is represented as complex function. It is accompanied with real time control and fixation of contact specific area. Contact temperature is defined by formula.
EFFECT: higher validation.
13 dwg

Description

Изобретение относится к способам испытаний узлов трения механических систем.The invention relates to methods for testing friction units of mechanical systems.

Известен способ определения эксплуатационных условий при испытании узлов трения [1], заключающийся в том, что регистрируют высокочастотные колебания сил контактного взаимодействия в узле трения и проводят гармонический анализ их спектра колебаний, по результатам которого определяют условия эксплуатации узла трения.There is a method of determining operating conditions when testing friction units [1], which consists in registering high-frequency fluctuations of the forces of contact interaction in the friction unit and conducting a harmonic analysis of their spectrum of vibrations, from which the operating conditions of the friction unit are determined.

Недостатком этого способа является недостаточная достоверность результатов, что обусловлено невозможностью учета влияния динамических процессов, протекающих в механической системе и на фрикционном контакте узла трения, обеспечения идентичности условий протекания процессов трения и изнашивания.The disadvantage of this method is the lack of reliability of the results, which is due to the inability to take into account the influence of dynamic processes occurring in the mechanical system and on the friction contact of the friction unit, to ensure the identity of the conditions of the processes of friction and wear.

Наиболее близким к описываемому решению является способ определения эксплуатационных условий [2] при испытании узлов трения, заключающийся в том, что испытания проводят на физической модели с необходимым числом сосредоточенных масс, обеспечивая равенство условий трения, логарифмических декрементов затухания и частот колебаний модели и узла, при этом регистрируют высокочастотные колебания сил контактного взаимодействия в узле трения и проводят гармонический анализ их спектра колебаний, по результатам которого определяют условия эксплуатации узла трения.Closest to the described solution is a method for determining operating conditions [2] when testing friction units, which consists in the fact that the tests are carried out on a physical model with the necessary number of concentrated masses, ensuring equality of friction conditions, logarithmic damping decrements and vibration frequencies of the model and the unit, In this case, high-frequency oscillations of the forces of contact interaction in the friction unit are recorded and a harmonic analysis of their oscillation spectrum is carried out, the results of which determine the conditions of lation of the friction unit.

Недостатком способа прототипа является необходимость применения сосредоточенных масс, размещение которых в необходимых «точках» в некоторых случаях вызывает значительное осложнение, а во многих не представляет возможности, что влечет за собой недостаточную достоверность результатов. Кроме того, измерение параметров микрогеометрии поверхности трения при использовании способа прототипа производится по окончании проведения испытаний, что, в свою очередь, также приводит к снижению достоверности результатов.The disadvantage of the prototype method is the need to use concentrated masses, the placement of which at the necessary "points" in some cases causes a significant complication, and in many cases does not represent an opportunity, which entails insufficient reliability of the results. In addition, the measurement of microgeometry parameters of the friction surface when using the prototype method is performed at the end of the test, which, in turn, also leads to a decrease in the reliability of the results.

Технической задачей заявляемого решения является повышение достоверности результатов определения эксплуатационных условий при испытании узлов трения.The technical task of the proposed solution is to increase the reliability of the results of determining operating conditions when testing friction units.

Поставленная задача достигается тем, что в заявляемом способе механические системы объектной и модельной фрикционных механических систем (ФМС), состоят из подсистемы механической и подсистемы (подсистем) фрикционной, при этом механические подсистемы описываются системой аналогичных линеаризованных дифференциальных уравнений, а процессы, протекающие на фрикционном контакте (ФК) «объекта» и «модели», описываются аналогичными математическими моделями, уравнениями регрессии, получаемыми при натурном эксперименте, например, с применением математического планирования полного или дробного факторного эксперимента, при этом между параметрами «объекта» и «модели» обеспечивается следующее соотношение: отношение линейных размеров объекта (L) и модели (l) равно геометрическому масштабу подобия

Figure 00000001
отношение времени протекания исследуемых процессов объекта (T) и модели (t) равно
Figure 00000002
отношение физико-механических параметров материалов (модуля упругости, температуры объемной и ее градиента и т.д.) объекта (Ф) и модели (ф) равно
Figure 00000003
отношение внешних сил, действующих внутри системы, объекта (F) и модели (f) равно
Figure 00000004
отношение площадей объекта (S) и модели (s) равно
Figure 00000005
при этом отношение амплитуд колебаний связей механических подсистем и деформаций микронеровностей объекта (А) и модели (a) равно
Figure 00000006
отношение параметров микрогеометрии фрикционных поверхностей объекта (Н) и модели (h) равно
Figure 00000007
отношение контактного давления объекта (Q) и модели (q) равно
Figure 00000008
отношение линейных скоростей скольжения объекта (V) и модели (ν) равно
Figure 00000009
отношение масс объекта (М) и модели (m) равно
Figure 00000010
отношение жесткостей объекта (С) и модели (с) равно
Figure 00000011
отношение частот колебаний объекта (Ω) и модели (ω) равно
Figure 00000012
отношение удельных величин спектральных плотностей мощности
Figure 00000013
Figure 00000014
- спектральная плотность сигнала x(f) в единицу времени Т на частоте Ω, приходящаяся на единицу площади S поверхности), при этом правые части дифференциальных уравнений (внешние возмущающие воздействия математических моделей ФМС) обеспечивают выполнение констант подобия амплитуды колебаний
Figure 00000015
и частоты колебаний
Figure 00000016
при этом измерение трибопараметров ФМС осуществляется во время проведения испытаний, коэффициент трения представляется в виде комплексной функции, т.е. в виде отношения взаимного трибоспектра в тангенциальном и нормальном направлениях к автотрибоспектру в нормальном направлении, действительная часть которого характеризует упругие, а мнимая - диссипативные свойства подсистемы фрикционного контакта, одновременно выполняется контроль и фиксирование удельной площади касания в реальном масштабе времени, например, методом проводимости в паре металл-металл или методом лазерного просвечивания в паре металл-полимер, а значение контактной температуры (максимальной объемной температуры, температуры на вершинах микронеровностей контакта) определяется формулой:The problem is achieved in that in the claimed method, the mechanical systems of the object and model friction mechanical systems (FMS) consist of a mechanical subsystem and a subsystem (friction) subsystem, while the mechanical subsystems are described by a system of similar linearized differential equations, and the processes occurring on the friction contact (FC) of the “object” and “model” are described by similar mathematical models, regression equations obtained in a full-scale experiment, for example, using m mathematical planning full or fractional factorial experiment, with between the parameters "object" and "model" is provided with the following relationship: the ratio of the linear dimensions of the object (L) and models (l) is equal to the geometric similarity scale
Figure 00000001
the ratio of the flow time of the studied processes of the object (T) and model (t) is
Figure 00000002
the ratio of physical and mechanical parameters of materials (elastic modulus, volumetric temperature and its gradient, etc.) of the object (Ф) and model (f) is equal to
Figure 00000003
the ratio of external forces acting inside the system, object (F) and model (f) is
Figure 00000004
the ratio of the areas of the object (S) and model (s) is
Figure 00000005
the ratio of the amplitudes of oscillations of the bonds of the mechanical subsystems and the deformations of the microroughness of the object (A) and model (a)
Figure 00000006
the ratio of the microgeometry parameters of the friction surfaces of the object (H) and the model (h) is
Figure 00000007
the ratio of the contact pressure of the object (Q) and model (q) is
Figure 00000008
the ratio of the linear sliding velocities of the object (V) and the model (ν) is
Figure 00000009
the mass ratio of the object (M) and model (m) is
Figure 00000010
the ratio of the stiffnesses of the object (C) and model (c) is
Figure 00000011
the ratio of the oscillation frequencies of the object (Ω) and the model (ω) is
Figure 00000012
ratio of specific values of power spectral densities
Figure 00000013
Figure 00000014
is the spectral density of the signal x (f) per unit time T at a frequency Ω per unit area S of the surface), while the right-hand sides of the differential equations (external disturbing effects of mathematical models of the FMS) ensure that the similarity constant
Figure 00000015
and oscillation frequencies
Figure 00000016
the measurement of the FMS triboparameters is carried out during the tests, the friction coefficient is presented as a complex function, i.e. in the form of the ratio of the mutual tribospectrum in the tangential and normal directions to the autotribospectrum in the normal direction, the real part of which characterizes the elastic and imaginary - dissipative properties of the friction contact subsystem, at the same time, the specific contact area is monitored and recorded in real time, for example, using the pair conductivity method metal-metal or by laser transmission in a metal-polymer pair, and the contact temperature (maximum volume temperature, perature in microroughness contact vertices) is defined by:

Figure 00000017
Figure 00000017

где J - ток, проходящий через контакт,where J is the current passing through the contact,

Rк - сопротивление контакта,R to - contact resistance,

αТ - коэффициент внешней теплоотдачи,α T is the coefficient of external heat transfer,

ρ - удельное сопротивление,ρ is the resistivity

lк - «длина» контакта.l to - the "length" of the contact.

Рассмотрим предлагаемый способ испытаний узлов трения на примере исследования ФМС «Подвижной состав - верхнее строение пути» с подсистемой фрикционного контакта «колесо - рельс». Для изучения динамических свойств электровоза и верхнего строения пути примем в качестве подвижной единицы электровоз ВЛ80 с конструкционной скоростью движения до 120 км/ч, движущийся по звеньевому стыковому пути, как наиболее сложный вид движения.Let us consider the proposed method for testing friction units using the example of the FMS study "Rolling stock - track top structure" with the friction contact subsystem "wheel - rail". To study the dynamic properties of the electric locomotive and the track’s upper structure, we will use the VL80 electric locomotive with a design speed of up to 120 km / h, moving along the link junction path, as the most complex form of movement as a mobile unit.

Согласно предлагаемому способу испытаний узлов трения моделирование должно состоять из трех этапов.According to the proposed method for testing friction units, modeling should consist of three stages.

1. Построение динамической модели механической подсистемы объекта исследования и выявление констант динамического подобия механической подсистемы.1. The construction of a dynamic model of the mechanical subsystem of the object of study and the identification of the constants of the dynamic similarity of the mechanical subsystem.

2. Построение динамической модели подсистемы или подсистем фрикционного контакта.2. Construction of a dynamic model of a subsystem or subsystems of frictional contact.

3. Построение модели фрикционно-механической системы.3. Building a model of the friction-mechanical system.

В первой части моделирования на основе анализа дифференциальных уравнений движения выводятся критерии подобия динамических подсистем. Несмотря на большое разнообразие существующих конструкций машин, динамические качества любой машины могут быть исследованы по общей методике, которая базируется на законах теоретической механики и теории колебаний. Условием динамической эквивалентности исходной и приведенной систем является равенство величин кинетической и потенциальной энергий до и после приведения. Следовательно, система масс расчетной эквивалентной схемы механической системы имеет число степеней свободы, равное выбранному числу масс реального объекта, и движение ее описывается таким же количеством уравнений. Это дает возможность решить задачу моделирования основных динамических характеристик на основе метода анализа дифференциальных уравнений движения расчетной эквивалентной схемы.In the first part of the simulation, based on the analysis of differential equations of motion, similarity criteria for dynamic subsystems are derived. Despite the wide variety of existing machine designs, the dynamic qualities of any machine can be investigated by a general methodology, which is based on the laws of theoretical mechanics and oscillation theory. The condition for the dynamic equivalence of the initial and reduced systems is the equality of the kinetic and potential energies before and after the reduction. Consequently, the mass system of the calculated equivalent circuit of a mechanical system has a number of degrees of freedom equal to the selected number of masses of a real object, and its motion is described by the same number of equations. This makes it possible to solve the problem of modeling the main dynamic characteristics based on the method of analysis of differential equations of motion of the calculated equivalent circuit.

Электровоз можно представить как единую механическую систему со многими степенями свободы, состоящую из колесных пар, рам тележек, кузова и связей между этими основными элементами. Источником всех динамических возмущений в пути и подвижном составе является колесная пара, движущаяся по неровностям пути. Конструкция колесной пары и размещенных на ней устройств сильно влияет на ход всех динамических процессов.An electric locomotive can be imagined as a single mechanical system with many degrees of freedom, consisting of wheelsets, frames of bogies, a body and connections between these basic elements. The source of all dynamic disturbances in the path and rolling stock is a pair of wheels moving along uneven paths. The design of the wheelset and the devices placed on it greatly affects the course of all dynamic processes.

Колебания вагонов возникают потому, что колесные пары при своем движении по рельсам и стрелочным переводам совершают сложные пространственные перемещения и тем самым заставляют колебаться на рессорном подвешивании рамы тележек, раму кузова, кузов и сам путь. Таким образом, колебания электровоза начинаются с колесной пары и передаются всем остальным узлам трения электровоза и пути. Прежде всего, рассматриваются вертикальные колебания одной колесной пары.Oscillations of the wagons arise because the wheelsets, when moving along rails and turnouts, make complex spatial movements and thereby cause them to oscillate on the spring suspension of the trolley frame, body frame, bodywork and the track itself. Thus, the oscillations of the electric locomotive begin with a pair of wheels and are transmitted to all other friction units of the electric locomotive and the path. First of all, vertical vibrations of one wheel pair are considered.

Дополнительные динамические вертикальные силы, передаваемые колесом электровоза рельсу, вызванные колебаниями надрессорного строения, не должны превышать статическую нагрузку кузова на колесо. Если эти силы достигнут величин, равных статической нагрузке на колесо (235 кН), то при колебаниях надрессорного строения будут возникать такие же силы разгрузки колеса, т.е. возможен сход колеса с рельса.Additional dynamic vertical forces transmitted by the wheel of the electric locomotive to the rail caused by vibrations of the overpressor structure must not exceed the body's static load on the wheel. If these forces reach values equal to the static load on the wheel (235 kN), then with the vibrations of the overpressor structure the same wheel unloading forces will arise, i.e. wheel derailment is possible.

Силы же, возникающие от инерции необрессоренных масс, могут достигать нескольких сотен кН. Причинами появления сил инерции необрессоренных масс являются неровности на пути и неровности на поверхности катания колес вагонов. Эти неровности делят на изолированные и непрерывные, короткие и длинные. При движении вагона по звеньевому рельсовому пути, соединенному в стыках накладками, всегда возникают соударения колес с рельсами.Forces arising from the inertia of unpressed masses can reach several hundred kN. The causes of the inertia of the non-sprung masses are irregularities in the path and irregularities on the rolling surface of the wagon wheels. These bumps are divided into isolated and continuous, short and long. When a car moves along a link rail track connected at the joints by overlays, wheel collisions with rails always occur.

В расчетную схему введем следующие допущения [3]. При исследовании движения электровоза как механической системы, взаимодействующей с железнодорожным путем, рамы тележек и кузов, вне зависимости от их конструкции, чаще всего рассматривают как элементы, обладающие лишь определенной массой (m), сосредоточенной в центре тяжести элемента, при этом весьма редко эти элементы рассматриваются как конструкции, имеющие определенным образом распределенные в пространстве массы и жесткости [4]. Кузов, рамы тележек, колесные пары считаем абсолютно жесткими телами. Средние диаметры колес одинаковые. Путь однородно-упругий. Электровоз движется по рельсовому пути с непрерывными вертикальными неровностями η, одинаковыми для обеих рельсовых нитей (η1=η'1; η2=η'2 и т.д.). Реальные виды рессорного подвешивания, кроме упругих деформаций в вертикальном направлении, могут упруго деформироваться и в горизонтальном направлении, но для упрощения решения задачи расчетные оценки горизонтальных деформаций рессорных комплектов делать не будем. При подпрыгивании кузов, тележки вагона и др. массы совершают перемещения, параллельные плоскости xOz. Жесткость, обусловленную сжатием металла в контакте колеса с рельсом, сжатием диска колеса и самого рельса под колесом (за счет местных его упругих деформаций) представим в виде так называемой «контактной жесткости колеса и рельса».We introduce the following assumptions into the calculation scheme [3]. When studying the movement of an electric locomotive as a mechanical system interacting with the railway, the frames of the bogies and the body, regardless of their design, are most often considered as elements having only a certain mass (m) concentrated in the center of gravity of the element, and very rarely these elements are considered as structures having masses and stiffnesses distributed in space in a certain way [4]. We consider the body, trolley frames, and wheelsets to be absolutely rigid bodies. The average wheel diameters are the same. The path is uniformly elastic. An electric locomotive moves along a rail track with continuous vertical irregularities η that are identical for both rail threads (η 1 = η '1; η 2 = η' 2 , etc.). The real types of spring suspension, in addition to elastic deformations in the vertical direction, can elastically deform in the horizontal direction, but we will not do the estimated horizontal deformations of spring sets to simplify the solution of the problem. When bouncing, the body, wagon trolleys, and other masses make displacements parallel to the xOz plane. The stiffness due to compression of the metal in the contact of the wheel with the rail, compression of the wheel disk and the rail itself under the wheel (due to its local elastic deformations) will be presented in the form of the so-called "contact stiffness of the wheel and rail".

При таком упрощении не понадобится учитывать колебания в колесе и рельсе, т.е. не будет необходимости использовать дифференциальные уравнения в частных производных, необходимые для описания упругих колебаний соударяющихся тел [3].With this simplification, it is not necessary to take into account fluctuations in the wheel and rail, i.e. there will be no need to use partial differential equations needed to describe the elastic vibrations of colliding bodies [3].

Расчетную схему для решения нашей задачи упростим и представим в виде, показанном на фиг.1, рассматривая колебания только одного колеса.We simplify the calculation scheme for solving our problem and present it in the form shown in Fig. 1, considering the vibrations of only one wheel.

При этом соответствующие массы mi, жесткости Сi и коэффициенты сопротивления βi уменьшаются в соответствующее число раз.In this case, the corresponding masses m i , stiffness C i and resistance coefficients β i are reduced by the corresponding number of times.

На фиг.1 изображена расчетная схема механической системы «подвижной состав - верхнее строение пути». Примем следующие обозначения: m - масса кузова электровоза, mт - масса обрессоренных частей тележки, mн - масса необрессоренных частей тележки (колесная пара), mp - приведенная масса рельса Р65, mш - приведенная масса шпалы, mб - приведенная масса балласта; О, От, Он, Ор, Ош, Об - соответствующие центры масс.Figure 1 shows the design scheme of the mechanical system "rolling stock - the upper structure of the track." We accept the following notation: m is the mass of the body of the electric locomotive, m t is the mass of the sprung parts of the trolley, m n is the mass of the non-sprung parts of the trolley (wheel pair), m p is the reduced mass of the rail P65, m w is the reduced mass of the sleepers, m b is the reduced mass ballast; O, O t , O n , O r , O W , O b - the corresponding centers of mass.

На каждую тележку передается половина массы кузова

Figure 00000018
[4]; вертикальные жесткость и коэффициент сопротивления центрального подвешивания на тележку соответственно равны С и β; надбуксового подвешивания для колесной пары - 2Сm и 2βm; массы обрессоренных и не обрессоренных частей тележки соответственно равны mт и mн. Для одного же колеса эти величины будут в 4 раза меньше, т.е.
Figure 00000019
Figure 00000020
Figure 00000021
Figure 00000022
Figure 00000023
Figure 00000024
Figure 00000025
Half of body weight is transferred to each trolley
Figure 00000018
[four]; the vertical stiffness and the coefficient of resistance of the central suspension on the trolley are respectively equal to C and β; over-wheel suspension for a pair of wheels - 2C m and 2β m ; the masses of the offended and not offended parts of the trolley are respectively m t and m n . For one wheel, these values will be 4 times smaller, i.e.
Figure 00000019
Figure 00000020
Figure 00000021
Figure 00000022
Figure 00000023
Figure 00000024
Figure 00000025

Внешнее воздействие на механическую систему моделируется неровностью железнодорожного рельса на современном звеньевом пути типовой конструкции согласно формуле, предложенной ВНИИЖТ МПС Н.Н. Кудрявцевым [5]:The external impact on the mechanical system is modeled by the unevenness of the rail on the modern link circuit of a standard design according to the formula proposed by VNIIZhT MPS N.N. Kudryavtsev [5]:

Figure 00000026
Figure 00000026

где A0, B0 - эквивалентные амплитуды неровности железнодорожного пути,where A 0 , B 0 are the equivalent amplitudes of the roughness of the railway track,

A0=0,0077 м, B0=0,0047 м - для хорошего состояния пути;A 0 = 0.0077 m, B 0 = 0.0047 m - for good condition of the path;

Lp - длина рельсового звена, Lp=25 м;L p is the length of the rail link, L p = 25 m;

Система дифференциальных уравнений вынужденных колебаний электровоза ВЛ80 в вертикальной плоскости с затуханием примет следующий вид:The system of differential equations of forced oscillations of the VL80 electric locomotive in the vertical plane with attenuation takes the following form:

Figure 00000027
Figure 00000027

где ki - круговые собственные частоты колебаний массы mi на упругом элементе жесткостью Сi, с; ni - круговые частоты затухающих колебаний, с-1.where k i are the circular eigenfrequencies of the oscillations of mass m i on the elastic element with stiffness C i , s; n i - circular frequencies of damped oscillations, s -1 .

Так как процессы в оригинале и модели при динамическом подобии должны быть подобны, то они описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями.Since the processes in the original and model with dynamic similarity should be similar, they are described by the same differential equations.

В первом приближении будем считать, что диссипативные функции незначительно влияют на частоты собственных колебаний, изменяя только логарифмический декремент колебаний, то есть при оценке условий динамического подобия механическую систему будем рассматривать без трения, то есть Ф=0. (В дальнейшем данное допущение устраняется путем введения в модель ФМС модели ФК, чем обеспечивается полное соответствие динамических характеристик объекта и модели ФМС.)In a first approximation, we assume that dissipative functions slightly affect the frequencies of natural vibrations, changing only the logarithmic decrement of vibrations, that is, when assessing the conditions of dynamic similarity, we will consider the mechanical system without friction, i.e. Ф = 0. (In the future, this assumption is eliminated by introducing the FC model into the FMS model, which ensures full compliance with the dynamic characteristics of the object and the FMS model.)

Структура дифференциальных уравнений одинаковая, поэтому рассмотрим только одно из них, например первую строку (1). Запишем дифференциальные уравнения, описывающие движение объекта (о) и модели (м)The structure of differential equations is the same, therefore, we consider only one of them, for example, the first row (1). We write down differential equations describing the motion of an object (o) and a model (m)

Figure 00000028
Figure 00000028

где m0, mм - массы кузова электровоза объекта и модели; Со, См - коэффициенты жесткости люлечного подвешивания объекта и модели; zo, zм - линейные размеры объекта и модели; Ωo, Ωм - собственные (вынужденные) частоты колебаний механических систем объекта и модели.where m 0 , m m - body mass of the electric locomotive of the object and model; With about , With m - the stiffness coefficients of the cradle suspension of the object and model; z o , z m - linear dimensions of the object and model; Ω o , Ω m - natural (forced) vibration frequencies of the mechanical systems of the object and model.

Таким образом, отношения всех характеризующих их величин должны выражаться с помощью масштабов подобия:Thus, the relations of all quantities characterizing them should be expressed using similarity scales:

Figure 00000029
Figure 00000029

где Cm - масштаб подобия массы; СC - масштаб подобия коэффициентов жесткости; Сг - масштаб подобия геометрических размеров; СΩ - масштаб подобия частоты колебаний.where C m - the scale of similarity of the mass; C C is the scale of similarity of the stiffness coefficients; With g - the scale of similarity of geometric dimensions; With Ω - the scale of similarity of the oscillation frequency.

Полученные масштабы подобия введем в дифференциальное уравнение (2) для модели, получим следующую зависимостьWe introduce the obtained similarity scales in the differential equation (2) for the model, we obtain the following dependence

Figure 00000030
Figure 00000030

Figure 00000031
Figure 00000031

Условие тождественности дифференциальных уравнений приводит к следующим критериям подобия:The identity condition of differential equations leads to the following similarity criteria:

Figure 00000032
Figure 00000032

В качестве условия динамического подобия принимаем равенство частот собственных колебаний модели и объекта, то есть CΩ=1. Тогда получаем из (4) равенство СmC для поступательного вида движения. При соблюдении указанного условия получаем критерии

Figure 00000033
из чего следует масштаб подобия времени испытаний, равный Сt=1.As a condition for dynamic similarity, we take the equality of the frequencies of the natural vibrations of the model and the object, that is, C Ω = 1. Then we obtain from (4) the equality C m = C C for the translational type of motion. Subject to the specified conditions, we obtain the criteria
Figure 00000033
from which follows the similarity scale of the test time, equal to C t = 1.

Аналогичные условия равенства мы получим, рассматривая трех-, четырех-,…, n - массные системы, то есть принятое условие обеспечивает динамическое подобие модели и объекта механических систем для любой n - массной системы, в т.ч. и для механической системы «подвижной состав - верхнее строение пути».We will obtain similar equality conditions by considering three-, four-, ..., n - mass systems, that is, the adopted condition provides a dynamic similarity of the model and the object of mechanical systems for any n - mass system, including and for the mechanical system “rolling stock - the upper structure of the track”.

На основе приведенного выше анализа можно сделать вывод, что для обеспечения динамического подобия моделируемых механических систем необходимо, чтобы при поступательном движении механических систем константы подобия масс и линейной жесткости системы были равны друг другу, т.е. Сm=CC и при вращательном движении - равенство констант подобия момента инерции и угловой жесткости системы, т.е. СIC. При этом модельный эксперимент должен проводиться в реальном масштабе времени Сt=1, так как, во-первых, СΩ=1 и, соответственно, СΩt=1; во-вторых, проводя исследования ФМС на физических моделях, мы должны изготавливать модельные пары из тех же материалов, из которых изготовлены реальные поверхности трения. В связи с этим временные интервалы релаксации связей фрикционного контакта в реальных и модельных условиях равны, что обеспечивается равенством Сt=1.Based on the above analysis, we can conclude that to ensure the dynamic similarity of the simulated mechanical systems, it is necessary that, with the translational movement of mechanical systems, the similarity constants of the mass and linear stiffness of the system are equal to each other, i.e. With m = C C and with rotational motion - the equality of the similarity constants of the moment of inertia and the angular stiffness of the system, i.e. C I = C C. In this case, the model experiment should be carried out in real time With t = 1, since, firstly, With Ω = 1 and, accordingly, With Ω = With t = 1; secondly, when conducting FMS studies on physical models, we must produce model pairs from the same materials from which real friction surfaces are made. In this regard, the time intervals for the relaxation of the frictional contact bonds in real and model conditions are equal, which is ensured by the equality С t = 1.

Во второй части анализируется динамическое подобие подсистемы фрикционного контакта узлов трения.The second part analyzes the dynamic similarity of the friction contact subsystem of friction units.

На фрикционном контакте реальных узлов трения механических систем протекают сложные нелинейные процессы, зависящие от большого числа взаимосвязанных факторов, образующих неоднородную систему нелинейных функциональных зависимостей. Вид дифференциальных уравнений движения зависит не только от того, какие материалы используются в узле трения, при каких нагрузках и скоростях они контактируют друг с другом, какое внешнее управляющее воздействие реализуется в системе, но и в какой механической системе функционирует узел трения. Теоретический динамический расчет ФМС - очень трудоемкий процесс, так как состоит из десятков и сотен степеней свободы, с многими допущениями, упрощениями и линеаризацией динамических процессов. В результате этого зачастую получаются результаты расчета, неадекватные реальным условиям эксплуатации. Попытка описать зависимость выходных характеристик ФМС от входных факторов с учетом свойств контактирующих материалов и динамических характеристик механической системы приводит к огромному количеству моделей (до миллиона и более), исследовать которые в конечном счете невозможно вследствие нарушения принципа суперпозиции для нелинейных систем. В результате этого требуется большое количество последующих доводочных испытаний узлов трения реальных машин.At the frictional contact of the real friction units of mechanical systems, complex non-linear processes occur, depending on a large number of interrelated factors that form an inhomogeneous system of non-linear functional dependencies. The form of the differential equations of motion depends not only on what materials are used in the friction unit, at what loads and speeds they contact each other, what external control action is implemented in the system, but also in what mechanical system the friction unit functions. Theoretical dynamic calculation of FMS is a very time-consuming process, as it consists of tens and hundreds of degrees of freedom, with many assumptions, simplifications and linearization of dynamic processes. As a result of this, calculation results are often obtained that are inadequate to the actual operating conditions. An attempt to describe the dependence of the output characteristics of the FMS on the input factors, taking into account the properties of the contacting materials and the dynamic characteristics of the mechanical system, leads to a huge number of models (up to a million or more), which are ultimately impossible to study due to violation of the superposition principle for nonlinear systems. As a result of this, a large number of subsequent testing of friction units of real machines is required.

Таким образом, произвести эффективную оптимизацию ФМС теоретически расчетными методами - практически не решаемая задача. Наиболее целесообразным для исследования оптимизации ФМС является применение экспериментально-лабораторных методов, базирующихся на методике физического подобия и моделирования [6…13]. Для решения вопросов комплексных исследований ФМС, для оптимизации их параметров на базе методов физического подобия и моделирования существуют специальные методики и стенды для их реализации, которые обеспечивают реальные условия эксплуатации машин и механизмов с узлами трения.Thus, to carry out effective FMS optimization by theoretically calculated methods is a practically unsolvable problem. The most appropriate for the study of FMS optimization is the use of experimental and laboratory methods based on the technique of physical similarity and modeling [6 ... 13]. To solve the problems of complex FMS studies, to optimize their parameters on the basis of physical similarity and modeling methods, there are special techniques and stands for their implementation, which provide real operating conditions for machines and mechanisms with friction units.

Корректная физическая модель ФМС доступнее для исследования, чем реальный объект. Более того, некоторые объекты вообще не могут быть изучены непосредственным образом. Если модель достаточно точно отражает поведение системы, то она содержит необходимые ограничения, а это позволяет получить решение, которое отражает возможное для физической реализации состояние системы.A correct physical model of the FMS is more accessible for research than a real object. Moreover, some objects cannot be directly studied at all. If the model accurately reflects the behavior of the system, then it contains the necessary limitations, and this allows you to get a solution that reflects the state of the system that is possible for physical implementation.

Узел трения «колесо - рельс» является составной частью ФМС «подвижной состав - верхнее строение пути». Массы колеса m1 и рельса m2 совершают сложное взаимное перемещение, являются составными частями механической системы (фиг.3). На фиг.3 изображено модельное представление фрикционной механической системы «колесо-рельс»: FT - сила трения; f - коэффициент трения; FH - давление; m1 - масса колеса; m2 - масса рельса; σ - коэффициент теплоотдачи; λ - теплопроводность; α - температуропроводность; h - высота микронеровности; r - радиус микронеровности; θ - температура контакта; τ - предельное напряжение сдвига.The friction unit “wheel - rail” is an integral part of the FMS “rolling stock - track top structure”. The masses of the wheel m 1 and the rail m 2 make a complex mutual movement, are components of a mechanical system (figure 3). Figure 3 shows a model representation of the friction mechanical system "wheel-rail": F T - the friction force; f is the coefficient of friction; F H is the pressure; m 1 is the mass of the wheel; m 2 is the mass of the rail; σ is the heat transfer coefficient; λ is the thermal conductivity; α is the thermal diffusivity; h is the microroughness height; r is the radius of microroughness; θ is the contact temperature; τ is the ultimate shear stress.

При этом поверхности взаимного контакта представляют систему низшего уровня, компонентами которого являются микронеровности, которые можно охарактеризовать массой их активного микрообъема и жесткостью заделки.In this case, the mutual contact surfaces represent a lower level system, the components of which are microroughnesses, which can be characterized by the mass of their active microvolume and the rigidity of the seal.

При фрикционном взаимодействии твердых тел на поверхностях трения происходят сложные механические и физико-химические процессы: окисление, диффузионное перераспределение, фазовые и структурные превращения, упругое и пластическое деформирование микронеровностей, разрушение поверхностных слоев. Чем выше уровень подсистемы, тем менее инерционны эти процессы. Вследствие малости пятен реального контакта каждый контакт существует непродолжительное время. Как указывается в работе /14/, для реальных шероховатых тел при средней скорости относительного перемещения 1 м/с число дискретных контактов в единицу времени оценивается величиной до 100 кГц в зависимости от материалов пар трения, среднего расстояния между микронеровностями и класса чистоты.During frictional interaction of solids, complex mechanical and physicochemical processes occur on friction surfaces: oxidation, diffusion redistribution, phase and structural transformations, elastic and plastic deformation of microroughnesses, and destruction of surface layers. The higher the level of the subsystem, the less inertial are these processes. Due to the small spots of real contact, each contact exists for a short time. As indicated in / 14 /, for real rough bodies at an average relative displacement velocity of 1 m / s, the number of discrete contacts per unit time is estimated to be up to 100 kHz depending on the materials of the friction pairs, the average distance between microroughnesses, and the cleanliness class.

В результате взаимного перемещения контактирующих поверхностей взаимодействие компонентов (микронеровностей) на фрикционном контакте возникают вынужденные колебания, что приводит к возникновению вынужденных колебаний с частотой возмущающей силы. Трение скольжения всегда сопровождается возникновением колебаний и выделением тепла /15/. Под активным микрообъемом материала поверхности трения будем понимать ту зону деформаций материалов контактирующих тел, в которой развиваются процессы, приводящие к изменению физико-механических свойств материалов контактирующих поверхностей. То есть активный микрообъем - это тот тонкий трибослой, определяющий в конечном счете триботехнические характеристики пар трения.As a result of the mutual displacement of the contacting surfaces, the interaction of components (microroughnesses) at the frictional contact causes forced oscillations, which leads to the appearance of forced oscillations with the frequency of the disturbing force. Sliding friction is always accompanied by the occurrence of oscillations and heat generation / 15 /. By the active microvolume of the material of the friction surface, we mean that zone of deformation of the materials of the contacting bodies, in which processes develop that lead to a change in the physicomechanical properties of the materials of the contacting surfaces. That is, the active microvolume is that thin tribolayer that ultimately determines the tribological characteristics of friction pairs.

При колебаниях активных микрообъемов материала в них самих и в окружающем их слое возникают деформации и соответствующие им напряжения. Частота вынужденных колебаний напряжений для данного активного микрообъема будет определяться числом импульсов взаимодействий микрообъемов в единицу времени. Нормальные и тангенциальные напряжения, возникающие при контакте микронеровностей, будут зависеть от координат, времени, относительной скорости и максимальной объемной температуры, так как, кроме данных колебаний, активные микрообъемы материала испытывают флуктуации вследствие тепловых пиков.With vibrations of the active microvolumes of the material, deformations and stresses corresponding to them arise in themselves and in the layer surrounding them. The frequency of forced voltage fluctuations for a given active microvolume will be determined by the number of pulses of the interactions of the microvolumes per unit time. Normal and tangential stresses arising from the contact of microroughnesses will depend on coordinates, time, relative velocity and maximum volumetric temperature, since, in addition to these oscillations, active microvolumes of the material undergo fluctuations due to thermal peaks.

В процессе деформаций активных микрообъемов масс ФК происходит изменение их размеров, разрушение и образование новых. При этом микронеровности контактирующих поверхностей будут формироваться и стремиться занять относительно друг друга такое положение, чтобы потери энергии при взаимном передеформировании микронеровностей были минимально возможны. Поверхности трения приобретают характер равновесной шероховатости и характеризуются относительно стабильными геометрическими очертаниями микронеровностей. Изменение приведенной жесткости механической системы (или приведенного момента инерции) однозначно приводит к реализации переходного процесса трения, по окончании которого на контакте устанавливается новая равновесная шероховатость.In the process of deformations of active microvolumes of FC masses, their sizes change, destruction, and the formation of new ones. In this case, the microroughnesses of the contacting surfaces will be formed and tend to occupy a position relative to each other so that energy losses during mutual over-deformation of the microroughnesses are minimally possible. Friction surfaces acquire the character of equilibrium roughness and are characterized by relatively stable geometric outlines of microroughnesses. A change in the reduced rigidity of the mechanical system (or the reduced moment of inertia) unambiguously leads to the transition process of friction, after which a new equilibrium roughness is established at the contact.

Процесс формирования равновесной шероховатости на поверхностях трения происходит при резонансе между собственной несущей частотой колебаний активных микрообъемов, то есть частотой колебаний напряжений на поверхности контакта, вызванных колебаниями активных микрообъемов, и частотой колебаний напряжений, соответствующих одной из собственных частот колебаний механической системы. Данное устойчивое состояние заключается в формировании одной несущей частоты трибоспектра и совпадении ее с n-й собственной частотой механической системы.The process of forming equilibrium roughness on friction surfaces occurs when there is a resonance between the intrinsic carrier frequency of vibrations of active microvolumes, i.e., the frequency of vibrations of stresses on the contact surface caused by vibrations of active microvolumes and the frequency of vibrations of stresses corresponding to one of the natural frequencies of vibrations of the mechanical system. This stable state consists in the formation of one carrier frequency of the tribospectrum and its coincidence with the nth natural frequency of the mechanical system.

Таким образом, суммарная энергия колебаний механической системы распределена по спектру генерируемых ею частот и представляет по отношению к микронеровностям контактирующих поверхностей внешнее силовое поле колебаний напряжений в тангенциальном и нормальном направлениях. В установившемся режиме работы механической системы параметры данного силового поля постоянны. Спектр частот вынужденных колебаний активных объемов материала фрикционного контакта очень обширен, поэтому практически всегда он «перекрывает» спектр частот возмущающих колебаний, генерируемых механической системой.Thus, the total vibrational energy of the mechanical system is distributed over the spectrum of frequencies generated by it and, in relation to the microroughnesses of the contacting surfaces, represents the external force field of the voltage fluctuations in the tangential and normal directions. In the steady state operation of a mechanical system, the parameters of this force field are constant. The frequency spectrum of the forced vibrations of the active volumes of the friction contact material is very extensive, therefore, almost always it “covers” the frequency spectrum of the disturbing vibrations generated by the mechanical system.

Внутреннее трение является одной из физико-механических констант исследуемых материалов и характеризуется безразмерными коэффициентами (коэффициент поглощения, показатель механической добротности, логарифмический декремент колебаний), то есть не зависит от геометрических размеров тел, а значит, и от геометрического масштаба при физическом моделировании.Internal friction is one of the physicomechanical constants of the materials under study and is characterized by dimensionless coefficients (absorption coefficient, mechanical Q factor, logarithmic decrement of vibrations), that is, it does not depend on the geometric dimensions of bodies, and therefore on the geometric scale in physical modeling.

Величина коэффициента трения зависит от скорости скольжения, так как при этом изменяются условия взаимодействия и разрушения поверхностей. Общепринятая закономерность изменения коэффициента трения от скорости скольжения в виде падающей характеристики существенно меняется при больших скоростях скольжения, так как при этом происходит значительное выделение тепла. Скорость скольжения определяет число взаимодействующих микронеровностей в единицу времени, то есть частота вынужденных колебаний должна быть пропорциональна скорости скольжения. Следовательно, изменение скорости скольжения и, как следствие, частоты вынужденных колебаний приведет к изменению сложившегося равновесного состояния (резонанса) между частотой собственных колебаний активных микрообъемов и частотой вынужденных колебаний. Переход системы в новое устойчивое состояние будет связан с изменением топографии поверхностей трения до установления равновесной шероховатости на другом резонансном уровне. Таким образом, для обеспечения адекватности процессов трения в модели и натуре необходимо обеспечить равенства констант подобия для скорости относительного движения контактирующих поверхностей - СVск=1.The value of the coefficient of friction depends on the sliding speed, since the conditions of interaction and destruction of surfaces change. The generally accepted pattern of change in the coefficient of friction as a function of the sliding velocity in the form of a falling characteristic changes significantly at high sliding velocities, since this causes significant heat generation. The sliding speed determines the number of interacting microroughnesses per unit time, that is, the frequency of the forced vibrations should be proportional to the sliding speed. Therefore, a change in the sliding speed and, as a consequence, the frequency of the forced vibrations will lead to a change in the existing equilibrium state (resonance) between the natural vibration frequency of active microvolumes and the forced vibration frequency. The transition of the system to a new stable state will be associated with a change in the topography of the friction surfaces until equilibrium roughness is established at a different resonance level. Thus, in order to ensure the adequacy of the friction processes in the model and nature, it is necessary to ensure equality of the similarity constants for the speed of the relative motion of the contacting surfaces - With Vsk = 1.

Между скоростью скольжения и температурой поверхностного слоя, при прочих равных условиях, существует зависимость: согласно формуле Егера /16/, температура пропорциональна корню из скорости скольжения. При температуре в 100…200°С вследствие дискретного характера контакта доля пластичного контакта в общем напряженно-деформационном состоянии поверхности возрастает и контактное давление уменьшается. Подплавление поверхностей активного микрообъема масс поверхности трения приводит к изменению их формы, что в общем случае сопровождается увеличением фактической площади касания и пропорциональным снижением контактных давлений. Вместе с тем, температура трения от этого не изменяется, т.е. градиент температуры не зависит от давления и вполне определяется скоростью скольжения. Пики температур практически полностью реализуются в активном микрообъеме. Даже при температуре контакта в 800…1000°С объемная температура остального материала будет незначительно отличаться от окружающей 30…60°С /17/. Это позволяет говорить о весьма интенсивном температурном градиенте активного микрообъема. Продолжительность температурного пика и периода перехода от нагревания к охлаждению и наоборот составляет 0,1…1,0 мс /18/. Это позволяет температурные пики характеризовать как параметры, имеющие частоту и амплитуду.Between the sliding velocity and the temperature of the surface layer, ceteris paribus, there is a dependence: according to the Eger formula / 16 /, the temperature is proportional to the root of the sliding velocity. At a temperature of 100 ... 200 ° C due to the discrete nature of the contact, the proportion of plastic contact in the total stress-strain state of the surface increases and the contact pressure decreases. The melting of the surfaces of the active microvolume of the mass of the friction surface leads to a change in their shape, which in the general case is accompanied by an increase in the actual contact area and a proportional decrease in contact pressures. At the same time, the friction temperature does not change from this, i.e. the temperature gradient is independent of pressure and is completely determined by the sliding velocity. Temperature peaks are almost completely realized in the active microvolume. Even at a contact temperature of 800 ... 1000 ° C, the volumetric temperature of the rest of the material will slightly differ from the surrounding 30 ... 60 ° C / 17 /. This suggests a very intense temperature gradient of the active microvolume. The duration of the temperature peak and the period of transition from heating to cooling and vice versa is 0.1 ... 1.0 ms / 18 /. This allows temperature peaks to be characterized as parameters having a frequency and amplitude.

Величина активного микрообъема зависит от физико-механических характеристик контактирующих поверхностей, а также от параметра PV (произведения скорости относительного скольжения на давление) и ограничивается глубиной, на которой влияние температуры на физико-механические свойства материалов трущихся тел материально ощутимо.The magnitude of the active microvolume depends on the physicomechanical characteristics of the contacting surfaces, as well as on the parameter PV (product of the relative sliding velocity and pressure) and is limited by the depth at which the effect of temperature on the physicomechanical properties of materials of rubbing bodies is tangible.

Основным критерием достоверности модельного эксперимента можно считать реализацию в условиях модели одинакового вида изнашивания поверхностных слоев и интенсивность износа контактирующих тел, являющегося основным для реальных поверхностей трения. Проведенный анализ показывает, что для обеспечения условий динамического подобия процессов на поверхности фрикционного контакта при моделировании условий трения необходимо выполнение следующих условий:The main criterion for the reliability of a model experiment can be considered the implementation under the conditions of the model of the same type of wear of the surface layers and the wear rate of the contacting bodies, which is the main one for real friction surfaces. The analysis shows that to ensure the conditions of dynamic similarity of processes on the surface of the frictional contact when modeling friction conditions, the following conditions must be met:

- исследователь вправе выбирать геометрический масштаб модели Сг и пропорционально изменять, например, номинальную площадь контакта А, т.е. САг2, длину пути трения СL (CL=1), радиус кривизны r1 или r2 колеса и рельса (Сrг), диаметр круга катания d (Сdг). Однако применять масштабный коэффициент Сг к геометрическим параметрам, определяющим линейные размеры на площади фактического касания (микрошероховатость), нельзя;- the researcher has the right to choose the geometric scale of the model C g and proportionally change, for example, the nominal contact area A, i.e. With A = C g 2 , the length of the friction path C L (C L = 1), the radius of curvature r 1 or r 2 of the wheel and rail (C r = C g ), the diameter of the skating circle d (C d = C g ). However, it is impossible to apply the scale factor C g to the geometric parameters that determine the linear dimensions on the area of actual contact (micro-roughness);

- скорости скольжения, т.е. СVск=1;- sliding speeds, i.e. With Vsk = 1;

- если режимы контактирования при модельных и натурных испытаниях одинаковы, то параметры шероховатости для установившегося режима трения будут одинаковы, а их константы подобия, например, для высоты микронеровностей Сh, радиуса закругления микронеровностей Сr должны быть равны единице (Сr=1, Сh=1). Это входит в противоречие с принимаемой константой подобия линейных размеров, так как и приведенные параметры единичной микронеровности h и r являются линейными размерами, а Сl≠1. Принудительное изменение шероховатости в соответствии с Сl, как это принято в работе Брауна Э.Д. /19/, при постоянстве параметров контактного давления и скорости скольжения для модели и реального узла трения, то есть Сq=1, СVск=1, создает на поверхности неустановившийся режим трения (процесс приработки), который после завершения и выхода на установившийся режим трения приводит к реализации равновесной шероховатости с Сr=1, Сh=1;- if the contact modes during model and full-scale tests are the same, then the roughness parameters for the steady-state friction mode will be the same, and their similarity constants, for example, for the microroughness height С h , the radius of curvature of microroughness С r should be equal to one (С r = 1, С h = 1). This contradicts the accepted similarity constant of linear dimensions, since the reduced parameters of unit microroughness h and r are linear dimensions, and С l ≠ 1. Forced change in roughness in accordance with C l , as is customary in Brown E.D. / 19 /, with constant contact pressure and sliding velocity parameters for the model and the real friction unit, that is, C q = 1, C Vsk = 1, creates an unsteady friction mode ( running- in process) on the surface, which, after completion and reaching the steady state friction leads to the implementation of equilibrium roughness with r = 1, h = 1;

- процесс изменения геометрических параметров идет до тех пор, пока на пятнах фактического касания не выравнивается контактное давление q. Это позволяет охарактеризовать контактное давление на поверхности трения как критерий, равенство которого для реальной поверхности трения и модели является определяющим, то есть

Figure 00000034
С учетом полученного из условий динамического подобия условия равенства скоростей скольжения и параметров шероховатости для модели и натуры равенство контактных давлений обеспечивает реализацию на поверхности трения для модельного эксперимента характерного для реальной поверхности вида изнашивания;- the process of changing geometric parameters continues until the contact pressure q is equalized on the spots of actual contact. This allows us to characterize the contact pressure on the friction surface as a criterion whose equality for the real friction surface and the model is decisive, i.e.
Figure 00000034
Taking into account the conditions of equality of sliding speeds and roughness parameters for the model and nature, obtained from the conditions of dynamic similarity, the equality of contact pressures ensures that the wear type characteristic of a real surface is realized on the friction surface for a model experiment;

- для сохранения равенства контактных давлений на контакте нормальная нагрузка на контакт должна иметь масштабный коэффициент перехода от натуры к модели, равный масштабному коэффициенту площади контакта, то есть СN=CSl2;- to maintain the equality of contact pressures at the contact, the normal load on the contact should have a scale factor of transition from nature to the model, equal to the scale factor of the contact area, that is, С N = C S = С l 2 ;

- равенство контактных давлений для объекта и модели, т.е. Сq=1, определяет равенство масштабного фактора массы Сml2, так как, во-первых, контактное давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади контакта

Figure 00000035
во-вторых масса прямо пропорциональна силе трения
Figure 00000036
где g - ускорение свободного падения (Сg=1), т.е. масштабный фактор массы имеет размерность силы
Figure 00000037
- equality of contact pressures for the object and model, i.e. With q = 1, determines the equality of the scale factor of mass С m = С l 2 , since, firstly, the contact pressure is directly proportional to the force and inversely proportional to the contact area
Figure 00000035
secondly, the mass is directly proportional to the friction force
Figure 00000036
where g is the acceleration of gravity (C g = 1), i.e. the scale factor of mass has the dimension of force
Figure 00000037

- при одинаковых условиях на контакте для модели и реальной поверхности равным сближениям соответствуют равные коэффициенты трения f и равные удельные линейные износы ih.- under identical conditions at the contact for the model and the real surface, equal proximity correspond to equal friction coefficients f and equal specific linear wear i h .

- собственные и характерные собственные частоты колебаний (которые следует рассматривать как физико-механическую характеристику поверхности трения при установившемся режиме трения, и в соответствии с формулой для сохранения равенства характерных частот собственный колебаний должно выполняться условие равенства констант подобия жесткости заделки и момента инерции активного микрообъема материала фрикционного контакта относительно ее центра колебаний, то есть CCI);- natural and characteristic natural vibration frequencies (which should be considered as a physicomechanical characteristic of the friction surface under the steady-state friction regime, and in order to preserve the equality of the characteristic frequencies of natural vibration, the condition for equality of the similarity constants of the embedment stiffness and the moment of inertia of the active microvoltage of the friction material contact relative to its center of oscillation, that is, C C = C I );

- величины амплитуд деформаций контактирующих микро-, макрошероховатостей фрикционного контакта и связей механических систем при модельных и натурных испытаниях равны единице СA=1, где А - амплитуда колебаний связей и величина шероховатости.- the magnitudes of the strain amplitudes of the contacting micro-, macro-roughnesses of the frictional contact and the bonds of mechanical systems during model and field tests are equal to unity C A = 1, where A is the amplitude of the bond vibrations and the roughness value.

- процесс фрикционного контактирования должен реализовываться в реальном масштабе времени, то есть Сt=1.- the process of frictional contacting should be implemented in real time, that is, With t = 1.

На третьем этапе моделирования рассматриваются критерии физического подобия узла трения фрикционно-механической системы.At the third stage of modeling, the criteria of physical similarity of the friction unit of the friction-mechanical system are considered.

Узел трения является подсистемой фрикционной механической системы, кроме того, его нельзя рассматривать как подсистему одного уровня. Например, при рассмотрении таких узлов трения, как «втулка - муфта», приведенного на фиг.3, системой является экипаж в пути, подсистемой - ФМС «колесо - смазка - рельс» (структурные составляющие). Подсистемами второго порядка (или элементами подсистем) являются параметры, характеризующие свойства поверхностей трения, трение и износ. В качестве критерия оценки функционирования системы можно принять интенсивность изнашивания поверхностей I.The friction unit is a subsystem of the friction mechanical system; in addition, it cannot be considered as a subsystem of one level. For example, when considering such friction units as the “sleeve-clutch” shown in FIG. 3, the system is the crew on the way, the subsystem is the FMS “wheel-lubrication-rail” (structural components). Second-order subsystems (or subsystem elements) are parameters that characterize the properties of friction surfaces, friction, and wear. As a criterion for assessing the functioning of the system, we can take the wear rate of surfaces I.

В конструктивном исполнении рассматриваемой системы можно выделить механизм нагружения, ведущую и ведомые части, связанные жесткостями связей с механической системой привода машины, системой демпфирующих элементов узла трения и т.д. Отмеченные конструктивные элементы узла трения составляют его механическую часть, подуровнем которой непосредственно являются поверхности контакта.In the design of the system under consideration, one can distinguish the loading mechanism, the leading and driven parts, connected by the stiffness of the connections with the mechanical drive system of the machine, the system of damping elements of the friction unit, etc. The marked structural elements of the friction unit constitute its mechanical part, the sublevel of which are directly the contact surfaces.

Поэтому при разработке структурной модели сложного процесса (например, торможения локомотива) в работе /20/ модель разбивается на несколько ступеней - группы подсистемы 1-го порядка, каждая из которых делится на подсистемы 2-го порядка и т.д. Соответственно и графическое представление физической модели узла трения (фиг.3). Если в подсистеме механической части узла трения (фиг.3.а) формируются параметры режима (скорость, нагрузка), теплоотдающие поверхности и объемы теплопоглощения, параметры формы (масса, жесткость, моменты инерции, твердость и т.д.), то в подсистеме поверхности трения (фиг.3.б) формируются параметры микрогеометрии контакта (высота и радиус активного микрообъема, величина сближения контактирующих поверхностей), средняя объемная температура фрикционного контакта и температура контакта, напряженно-деформационное состояние активных микрообъемов, амплитудно-фазочастотные характеристики (АФЧХ) процессов внутреннего трения.Therefore, when developing a structural model of a complex process (for example, locomotive braking) in / 20 /, the model is divided into several steps - groups of the 1st order subsystem, each of which is divided into 2nd order subsystems, etc. Accordingly, a graphical representation of the physical model of the friction unit (figure 3). If in the subsystem of the mechanical part of the friction unit (Fig.3.a) the mode parameters (speed, load), heat transfer surfaces and heat absorption volumes, shape parameters (mass, stiffness, moments of inertia, hardness, etc.) are formed, then in the subsystem friction surface (Fig.3.b) the contact microgeometry parameters are formed (height and radius of the active microvolume, the proximity of the contacting surfaces), the average volumetric temperature of the friction contact and the contact temperature, the stress-strain state of the active microvolume s, amplitude-phase-frequency characteristics (AFC) of internal friction processes.

Оценка зависимости триботехнических параметров узла трения от параметров нагружения, модификации поверхности трения, температуры, влияния внешней среды позволяет ограничиться подсистемой первого порядка, оценки параметров которой представлены на фиг.3.а и 3.б.Evaluation of the dependence of the tribological parameters of the friction unit on the parameters of loading, modification of the friction surface, temperature, and environmental influences allows us to confine ourselves to the first-order subsystem, the parameter estimates of which are presented in Figures 3.a and 3.b.

Используя данные модели (фиг.4) процессов трения и изнашивания узла трения «колесо-рельс», представим в общем виде функциональную зависимость процесса:Using these models (figure 4) of the processes of friction and wear of the friction node "wheel-rail", we present in general terms the functional dependence of the process:

Figure 00000038
Figure 00000038

где σ12 - коэффициент теплоотдачи, Вт/(К·м2); N - нормальная нагрузка колеса на рельс, Н; V - скорость качения, м/с; С - линейная жесткость связей, Н/м; k - частота собственных колебаний, с-1; q - давление в контакте, Па; ΔΘ - температурный градиент, К/м; J - момент инерции, кг·м2; β - вязкое демпфирование, (Н·с)/м; НВ - твердость материалов, Па; Е - модуль упругости, Па; τ - время трения, с; L - путь трения, м; S - площадь контакта, м2; F - сила трения, Н; U - весовой износ, кг/м3; с - коэффициент удельной теплоемкости, Дж/(кг·К); А - амплитуда деформации связей, м.where σ 12 is the heat transfer coefficient, W / (K · m 2 ); N - normal wheel load on the rail, N; V is the rolling speed, m / s; C is the linear stiffness of bonds, N / m; k is the frequency of natural oscillations, s -1 ; q is the pressure in contact, Pa; ΔΘ - temperature gradient, K / m; J is the moment of inertia, kg · m 2 ; β — viscous damping, (N · s) / m; HB - hardness of materials, Pa; E is the modulus of elasticity, Pa; τ is the friction time, s; L is the friction path, m; S is the contact area, m 2 ; F is the friction force, N; U - weight wear, kg / m 3 ; C is the coefficient of specific heat, J / (kg · K); And - the amplitude of the deformation of bonds, m

На этапе моделирования механического, теплового и динамического подобия всей механической системы необходимо учесть ограничения, определяющие динамику механической системы без трения и условия, ее определяющие, и тождественность аналогичных физических процессов протекания на фрикционном контакте модели и объекта.At the stage of modeling the mechanical, thermal and dynamic similarity of the entire mechanical system, it is necessary to take into account the constraints that determine the dynamics of a mechanical system without friction and the conditions that determine it, and the identity of similar physical processes occurring at the frictional contact of the model and the object.

Для этого при использовании метода анализа размерностей (с ограничениями /15/) жесткость С как основная варьируемая величина вводится в число базисных параметров, а время τ и контактное давление q - в краевые условия.For this, when using the dimensional analysis method (with restrictions / 15 /), stiffness C as the main variable is introduced into the number of basic parameters, and time τ and contact pressure q are introduced into the boundary conditions.

В системе основных единиц MLTΘ (масса, длина, время и температура) выбираем четыре базисных параметра, оказывающие наиболее существенное влияние на процессы трения и изнашивания фрикционной системы и поддающиеся измерению в лабораторных условиях испытаний:In the MLT основных basic unit system (mass, length, time and temperature), we select four basic parameters that have the most significant effect on the friction and wear of the friction system and can be measured in laboratory tests:

Figure 00000039
Figure 00000039

Система уравнений, образованная четырьмя базисными параметрами, имеет вид:The system of equations formed by four basic parameters has the form:

lnσ=lnM+0·lnL-3·lnT-lnΘ;lnσ = lnM + 0 · lnL-3 · lnT-lnΘ;

lnN=lnM+lnL-2-lnT+0·lnΘ;lnN = lnM + lnL-2-lnT + 0 lnΘ;

lnV=0·lnM+lnL-lnT+0·lnΘ;lnV = 0 · lnM + lnL-lnT + 0 · lnΘ;

lnC=lnM+0·lnL-2·lnT+0·lnΘ.lnC = lnM + 0 lnL-2 lnT + 0 lnΘ.

Главный определитель D0 системы уравнений в числовой форме, образованный параметрами MLTΘ:The main determinant D 0 of the system of equations in numerical form, formed by the parameters MLTΘ:

Figure 00000040
Figure 00000040

Определитель D0≠0, чем подтверждается независимость выбранных в качестве базисных размерностей параметров σ, N, V, С.The determinant D 0 ≠ 0, which confirms the independence of the parameters σ, N, V, C. chosen as the base dimensions.

В качестве краевых условий выбираем частоту колебаний, контактное давление и градиент температуры, то есть Сk=1, Cq=1, СΔΘ=1, что достигается применением одинаковых параметров натуры и модели.As the boundary conditions, we choose the oscillation frequency, contact pressure, and temperature gradient, i.e., C k = 1, C q = 1, C ΔΘ = 1, which is achieved by using the same parameters of nature and model.

Расчет масштабных коэффициентов перехода (МКП) для принятой модели и натуры относительно заданного масштабного коэффициента круговой жесткости СC проводится по программе, реализующей алгоритм решения линейных уравнений с n неизвестными. Результаты расчета сведены в таблицу 1.The calculation of scale transition coefficients (MCP) for the adopted model and nature relative to a given scale coefficient of circular stiffness C C is carried out according to a program that implements an algorithm for solving linear equations with n unknowns. The calculation results are summarized in table 1.

Figure 00000041
Figure 00000042
Figure 00000041
Figure 00000042

Для примера приведем выведение критерия подобия небазисного параметра градиента температуры в матричном виде, после чего выполним проверку полученного результата.As an example, we present the derivation of the similarity criterion for a nonbasis parameter of the temperature gradient in matrix form, after which we will verify the result.

Используя главный определитель системы D0, объединим каждый параметр с базисными σ, N, V, С. Для этого поочередно заменяем строки с параметрами σ, N, V, С строками с размерностями параметра, для которого определяется критерий подобия. Для каждого параметра получим четыре определителя, после чего выведем критерии подобия.Using the main determinant of the system D 0 , we combine each parameter with the base σ, N, V, C. For this, we replace the rows with the parameters σ, N, V, C with the rows with the dimensions of the parameter for which the similarity criterion is determined. For each parameter, we obtain four determinants, after which we derive similarity criteria.

Критерий градиента температуры [ΔΘ]=[М0 L-1 Т0 Θ1].The temperature gradient criterion [ΔΘ] = [M 0 L -1 T 0 Θ 1 ].

Расчет определителей:Calculation of determinants:

Figure 00000043
Figure 00000043

Критерий подобия для параметра градиента температуры

Figure 00000044
будет иметь вид:Similarity criterion for temperature gradient parameter
Figure 00000044
will look like:

Figure 00000045
или
Figure 00000046
тогда
Figure 00000047
Figure 00000045
or
Figure 00000046
then
Figure 00000047

Проверка:

Figure 00000048
Verification:
Figure 00000048

Критерий амплитуды деформации связей [А]=[М0 L1 Т0 Θ0].The criterion for the amplitude of bond deformation [A] = [M 0 L 1 T 0 Θ 0 ].

Figure 00000049
Figure 00000049

Критерий подобия для параметра амплитуды деформации связей А будет иметь вид:The similarity criterion for the parameter of the amplitude of deformation of bonds A will have the form:

Figure 00000050
или
Figure 00000051
тогда
Figure 00000052
Figure 00000050
or
Figure 00000051
then
Figure 00000052

Проверка:

Figure 00000053
что подтверждает неизменяемость микрогеометрии поверхностей при модельных и натурных исследованиях.Verification:
Figure 00000053
which confirms the immutability of surface microgeometry in model and field studies.

Аналогичным образом связываются с базисными параметрами все остальные параметры процесса трения, принятые для моделирования.In a similar way, all other parameters of the friction process adopted for modeling are associated with the basic parameters.

Уравнение подобия, объединившее полученные критерии, состоит из 14 критериев, так как согласно теореме Бэкингэма должно быть равно числу параметров за вычетом четырех базисных:The similarity equation, combining the obtained criteria, consists of 14 criteria, since according to the Buckingham theorem it should be equal to the number of parameters minus four basic:

Figure 00000054
Figure 00000054

Полученные критерии подобия, составляющие критериальное уравнение (6), требуют экспериментальной проверки. Это связано с тем, что они могут иметь вполне ограниченные границы применения. Кроме экспериментальной проверки можно провести сопоставление полученных критериев со "стандартными", которые многократно апробированы при исследованиях процессов трения и изнашивания, а также в других областях техники.The obtained similarity criteria that make up the criterion equation (6) require experimental verification. This is due to the fact that they can have completely limited application boundaries. In addition to experimental verification, one can compare the obtained criteria with the “standard” ones, which have been repeatedly tested in studies of the processes of friction and wear, as well as in other areas of technology.

Критерии (см. таблицу 1) получены как зависимости моделируемой величины от параметров, принятых за базисные, то есть от величин, оказывающих наибольшее влияние на исследуемый процесс. Соответственно, изменение базисных параметров изменит и получаемые критерии. Однако, как показывает практика, подобные изменения не отражаются на реализации «стандартных» критериев, если подбор базисных параметров и моделирование проведены корректно.The criteria (see table 1) are obtained as the dependences of the modeled value on the parameters taken as basic, that is, on the values that have the greatest impact on the process under study. Accordingly, a change in the basic parameters will also change the resulting criteria. However, as practice shows, such changes do not affect the implementation of “standard” criteria if the selection of basic parameters and modeling are carried out correctly.

Рассмотрим несколько разнородных «стандартных» критериев, характеризующих соотношения силовых, теплофизических процессов и процессы работы смазки на поверхности трения:Consider several heterogeneous "standard" criteria characterizing the ratio of power, thermophysical processes and the processes of lubrication on the friction surface:

1. Критерий гомохронности, характеризующий однородность процессов во времени:

Figure 00000055
где V - скорость, τ - время, L - путь, в реализованном моделировании получается, если критерий времени πτ разделить на критерий пути трения πL, то есть
Figure 00000056
Так как в выражение критерия гомохронности входят параметры V, τ, L, то даже если ни один из этих параметров не входит в число базисных, перемножение критериев скорости и времени и деление на критерий пути в результате обеспечивает получение критерия гомохронности.1. The criterion of homochronism, characterizing the homogeneity of processes in time:
Figure 00000055
where V is the velocity, τ is the time, L is the path, in the implemented simulation it turns out if the time criterion π τ is divided by the friction path criterion π L , i.e.
Figure 00000056
Since the parameters V, τ, L are included in the expression of the homochronism criterion, even if none of these parameters is included in the basic ones, multiplying the criteria of speed and time and dividing by the criterion of the path as a result provides a criterion for homochronism.

2. Критерий Ньютона получим, если критерий силы трения πF умножим на критерий времени πτ, разделим на критерий массы πm и подставим значение

Figure 00000057
то есть
Figure 00000058
2. We obtain Newton’s criterion if we multiply the friction force criterion π F by the time criterion π τ , divide by the mass criterion π m and substitute the value
Figure 00000057
i.e
Figure 00000058

3. Критерий Фруда получим, если критерий массы πm разделим на критерий времени πt с последующей подстановкой N=mg и

Figure 00000059
3. We obtain the Froude criterion if we divide the mass criterion π m by the time criterion π t with the subsequent substitution N = mg and
Figure 00000059

Figure 00000060
умножив на квадрат критерия гомохронности, получаем
Figure 00000061
Figure 00000060
multiplying by the square of the criterion of homochronism, we obtain
Figure 00000061

4. Критерий Фурье получим, если критерий температуропроводности πΘl разделим на критерий пути трения πL с последующей подстановкой

Figure 00000062
Figure 00000063
4. We obtain the Fourier criterion if we divide the thermal diffusivity criterion π Θl by the friction path criterion π L with subsequent substitution
Figure 00000062
Figure 00000063

5. Критерий Нуссельта можно получить, если критерий пути πL разделить на критерий теплопроводности πλ:

Figure 00000064
5. The Nusselt criterion can be obtained if the criterion of the path π L is divided by the criterion of thermal conductivity π λ :
Figure 00000064

Таким образом, выполненные расчеты позволяют определить масштабные коэффициенты перехода от объекта исследования к модельному эксперименту, выполнить стендовые испытания и перенести результаты испытаний на объект исследования.Thus, the performed calculations make it possible to determine the scale factors of the transition from the object of study to the model experiment, perform bench tests and transfer the test results to the object of study.

На базе физико-математического моделирования изготовлены два экспериментальных стенда для исследования динамических свойств всей механической системы в целом и отдельно взятого ФК «колесо-рельс».On the basis of physical and mathematical modeling, two experimental stands were made to study the dynamic properties of the entire mechanical system as a whole and the individual wheel-rail FC.

Для проведения комплекса модельных испытаний по оценке динамических свойств подвижного состава и верхнего строения пути (ВСП), влияния модификации поверхности трения пары «колесо-рельс», а также величины демпфирования ВСП на величину и стабильность значений коэффициента сцепления разработан испытательный стенд, представленный на фиг.5.To carry out a complex of model tests to assess the dynamic properties of the rolling stock and the track superstructure (VSP), the effect of the modification of the friction surface of the wheel-rail pair, as well as the VSP damping value on the magnitude and stability of the adhesion coefficient values, a test bench is presented, shown in FIG. 5.

Конструкция стенда позволяет проводить сравнительные испытания на моделях экипажа на стенде, моделирующем железнодорожный путь и воздействие его на ходовую часть подвижного состава (подпрыгивание, галопирование и боковая качка). Испытательный стенд представляет собой раму 2, изготовленную из швеллеров, на которой смонтированы двигатель постоянного тока 3 (для моделирования сопротивления движению подвижного состава) и подшипниковые опоры 4. На консолях валов опорных катков 5 расположены конические редукторы, соединенные посредством карданных валов с электродвигателем 3. На опорные катки 5 стенда устанавливается модель экипажа. Регулировка положения колес модели относительно опорных катков стенда осуществляется винтами 6, установленными в упоре 1. На каждую колесную пару установлены асинхронные двигатели.The design of the stand allows comparative tests on crew models on a stand simulating a railway track and its impact on the running gear of the rolling stock (bouncing, galloping and side-rolling). The test bench is a frame 2 made of channels, on which a DC motor 3 is mounted (for modeling the resistance to movement of rolling stock) and bearing bearings 4. On the consoles of the shafts of the track rollers 5 are bevel gears connected by cardan shafts to an electric motor 3. On Track rollers of the 5th stand are installed crew model. The position of the wheels of the model relative to the support rollers of the bench is adjusted by the screws 6 installed in the support 1. Asynchronous motors are installed on each wheel pair.

Конструкция стенда позволяет испытывать двухосные и четырехосные экипажи, варьировать расстояние между осями катков стенда в зависимости от базы тележек. Испытываемая на стенде модель экипажа представляет копию его ходовой части, в которой в соответствующем масштабе соблюдены жесткости связей, моменты инерции и распределение массы по осям колесных пар. Опорные катки стенда имеют конструкцию, позволяющую моделировать основные виды колебаний экипажа. Под влиянием силы тяжести подвижного состава рельсовый путь подвергается деформациям, величина которых зависит от жесткости подрельсового основания и жесткости самого рельса. Чтобы смоделировать процессы взаимодействия подвижного состава с рельсовым путем, опорными катками моделируется верхнее строение пути.The design of the stand allows you to test biaxial and four-axle crews, vary the distance between the axes of the rollers of the stand depending on the base of the carts. The crew model tested at the stand presents a copy of its running gear, in which the rigidity of the joints, the moments of inertia and the mass distribution along the axles of the wheelsets are respected. Track rollers of the stand have a design that allows you to simulate the main types of crew vibrations. Under the influence of the gravity of the rolling stock, the rail is subjected to deformations, the magnitude of which depends on the rigidity of the rail base and the rigidity of the rail itself. In order to simulate the processes of interaction of the rolling stock with the rail track, the track structure is simulated by the track rollers.

Каток стенда, моделирующий рельс (фиг.6), изготавливается из того же материала, что и железнодорожные рельсы. Для моделирования рельсового стыка в катке образованы две консоли, при этом длина консоли и момент сопротивления сечения А-А моделирует податливость рельсового стыка железнодорожного пути.The roller of the stand, modeling the rail (Fig.6), is made of the same material as the railway rails. Two consoles are formed in the roller to simulate the rail junction, while the length of the console and the moment of cross-section resistance A-A models the compliance of the rail junction.

Жесткость и податливость подрельсового основания моделируется путем установки опоры 2 вала 1 стенда на слоистую конструкцию подкладки 3 (фиг.7). Эксцентриситет катков создается путем смещения оси опорных катков 4 стенда (фиг.5) относительно оси вала 1 и закрепления их расчетной планкой 5.The rigidity and flexibility of the rail base is modeled by installing the support 2 of the shaft 1 of the stand on the layered structure of the lining 3 (Fig.7). The eccentricity of the rollers is created by shifting the axis of the track rollers 4 of the stand (figure 5) relative to the axis of the shaft 1 and securing them with a design bar 5.

На фиг.8 представлены фотографии модернизированного каткового стенда.On Fig presents photographs of the modernized roller stand.

Техническая характеристика стенда:Technical characteristics of the stand:

Частота вращения опорных катков, об/мин - 0…500The frequency of rotation of the track rollers, rpm - 0 ... 500

Диаметр опорного катка, м - 0,5The diameter of the track roller, m - 0.5

Ширина колеи, м - 0,304Gauge, m - 0,304

Моделируемые частоты и амплитуды пути:Modeled path frequencies and amplitudes:

- в вертикальной плоскости - 6…30 Гц, 3…7 мм;- in the vertical plane - 6 ... 30 Hz, 3 ... 7 mm;

- боковая качка - 1,5…10 Гц, 3…7 мм- lateral pitching - 1.5 ... 10 Hz, 3 ... 7 mm

Максимальный эксцентриситет опорных катков, мм - 20Maximum eccentricity of road wheels, mm - 20

Нагрузка на одну ось, кН - 1,52…2,4Single axle load, kN - 1.52 ... 2.4

Масса необрессоренных частей колесно-моторного блока, кН - 0,24…0,48The mass of non-sprung parts of the wheel-motor block, kN - 0.24 ... 0.48

Масса тележки, кН - 0,64…2The mass of the cart, kN - 0,64 ... 2

Масса обрессоренной части экипажа, кН - 4,8…9,6The mass of the offended part of the crew, kN - 4.8 ... 9.6

Система измерительного комплекса состоит из ПЭВМ типа IBM/PC, многоканальных усилителей вибродатчиков с каналами синхронизации, усилителя сигнала тензодатчика, платы цифровой обработки сигналов с 9-ти канальным аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), соединительных кабелей, источника питания, пакета специализированного программного обеспечения.The measuring complex system consists of an IBM / PC type PC, multi-channel vibration sensor amplifiers with synchronization channels, a strain gauge signal amplifier, a digital signal processing board with a 9-channel analog-to-digital converter (ADC), connecting cables, a power supply, and a specialized software package.

Экспериментальное определение тяговых характеристик, реализуемых на стенде при перекатывании модели колеса по модели ВСП, производится при помощи тензодатчиков (фиг.8.д). Оценка величины коэффициента сцепления производится путем записи силы тяги с тензодатчиков T1 и Т2, расположенных на сцепном кольце стенда, с предварительной тарировкой Δ=f(P), где Р - прикладываемое усилие, Δ - величина деформации. Экспериментальное определение параметров динамики, реализуемых на стенде при перекатывании модели колеса по модели ВСП, производится при помощи вибродатчиков Д14.The experimental determination of the traction characteristics realized on the bench when rolling the wheel model according to the VSP model is performed using strain gauges (Fig. 8.d). The coefficient of adhesion is estimated by recording the traction force from the load cells T 1 and T 2 located on the coupling ring of the stand, with a preliminary calibration Δ = f (P), where P is the applied force, Δ is the strain value. The experimental determination of the dynamics parameters realized at the bench when rolling the wheel model according to the VSP model is carried out using D14 vibration sensors.

Для исследования динамических, триботехнических и трибоспектральных характеристик фрикционной подсистемы «колесо - рельс» фрикционной механической системы «путь - подвижной состав» на дискретном множестве частот и установления величин интенсивности изнашивания, характеризующих долговечность сопряжений, была использована новая установка, реализующая возвратно-поступательное движение. Схема установки представлена на фиг.9 и 10. (На фиг.9 изображена кинематическая установка возвратно-поступательного трения лабораторного комплекса «путь-подвижной состав»: 1 - электродвигатель; 2 - ременная передача; 3 - шкив; 4 - кулиса; 5 - устройство закрепления образца; 6 - верхний контробразец (колесо); 7 - нижний образец; 8 - тензодатчик силы трения; 9 - образцедержатель; 10 - тележка; 11 - нагружающее устройство в горизонтальном направлении; 12 - ось верхнего контробразца; 13 - нагружающее устройство в нормальном направлении; 14 - тензодатчик силы в нормальном направлении, 15 - нагружающий рычаг. На фиг.10 представлена фотография общего вида установки.)To study the dynamic, tribotechnical and tribospectral characteristics of the friction subsystem “wheel-rail” of the friction mechanical system “track-rolling stock” on a discrete set of frequencies and to establish the values of the wear rate characterizing the durability of the joints, a new setup was implemented that implements reciprocating motion. The installation diagram is presented in figures 9 and 10. (Figure 9 shows the kinematic installation of reciprocating friction of the laboratory complex "path-rolling stock": 1 - electric motor; 2 - belt drive; 3 - pulley; 4 - backstage; 5 - specimen fixing device; 6 - upper counter-sample (wheel); 7 - lower sample; 8 - friction force strain gauge; 9 - sample holder; 10 - trolley; 11 - loading device in the horizontal direction; 12 - axis of the upper counter-sample; 13 - loading device in normal direction; 14 - normal force strain gauge nom direction 15 -. biasing the lever 10 is a picture of the general form installation).

Привод комплекса состоит из электродвигателя с асинхронным управлением и ременной передачи, позволяющих осуществлять заданные скорости относительного скольжения исследуемой пары трения при рабочем ходе возвратно-поступательного движения нижнего образца 7 L=100 мм, что соответствует заданной частоте взаимного перемещения и колебаниям ФМС «колесо - рельс». Заданная частота взаимного перемещения осуществляется изменением эксцентриситета кулисы 4, т.е. точки крепления кулисы 4 на шкиве 3. Нормальное давление на контакте создается путем расчета соответствующей площади испытуемых образцов. Регистрация получаемого спектра виброколебаний трибопары осуществляется тензодатчиками 8 и 14. Данные с датчиков через тензоусилитель передаются на ЭВМ, где производится их графическая интерпретация.The drive of the complex consists of an electric motor with asynchronous control and belt drive, which allows to carry out the specified relative sliding speeds of the friction pair under study during the working stroke of the reciprocating motion of the lower sample 7 L = 100 mm, which corresponds to the specified frequency of mutual displacement and fluctuations of the wheel-rail FMS . The predetermined frequency of the mutual movement is carried out by changing the eccentricity of the wings 4, i.e. the mounting points of the wings 4 on the pulley 3. Normal pressure on the contact is created by calculating the corresponding area of the tested samples. Registration of the obtained spectrum of vibrations of the tribocouple is carried out by strain gauges 8 and 14. Data from the sensors through the strain gauge is transmitted to a computer, where they are graphically interpreted.

При включении привода происходит вращение кривошипа 4 и реверсивное движение нижнего образца 7 относительно верхнего 6. За счет возникающей силы трения в контакте верхний образец вращается относительно нижнего образца относительно неподвижной оси 12 исследуемого резьбового соединения. Сигнал, возбуждаемый исследуемым фрикционным взаимодействием, регистрируется тензодатчиками, которые работают в частотном диапазоне, определяемом программными параметрами лабораторного комплекса «Фрикционная механическая система», в котором нижняя частота составляет 0 Гц, а верхняя - 40 кГц (согласно технической характеристике используемого в лаборатории аналогово-цифрового преобразователя). Регистрируются виброперемещения нагружающего устройства 13 в нормальном направлении силы трения и тангенциальном направлении устройством 11. Для обработки экспериментальных данных применялась программа MATLAB, дополненная программным модулем, позволяющим решать задачи трибочастотной адаптации, позволяющая определить автоспектры нормальной и тангенциальной сил в отдельности, взаимный спектр, частотную передаточную функцию и другие характеристики виброколебаний исследуемой трибопары.When the drive is turned on, the crank 4 rotates and the lower sample 7 is reversed relative to the upper 6. Due to the friction force arising in the contact, the upper sample rotates relative to the lower sample relative to the fixed axis 12 of the studied threaded connection. The signal excited by the studied frictional interaction is recorded by strain gauges that operate in the frequency range determined by the program parameters of the Friction Mechanical System laboratory complex, in which the lower frequency is 0 Hz and the upper frequency is 40 kHz (according to the technical characteristics of the analog-digital converter). The vibrations of the loading device 13 are recorded in the normal direction of the friction force and the tangential direction by the device 11. For processing the experimental data, the MATLAB program was used, supplemented by a software module that allows solving the problems of tribo-frequency adaptation, which allows determining the autospectra of the normal and tangential forces separately, the mutual spectrum, and the frequency transfer function and other characteristics of vibrations of the studied tribopairs.

Так, например, при переходе от шестимассной динамической системы (фиг.1) к трехмассной модели фрикционного контакта на дискретном множестве частот на основе равенства кинетической и потенциальной энергий и выбранного масштабного фактора выполняется приведение значений масс и жесткостей связей следующим образомSo, for example, when moving from a six-mass dynamic system (Fig. 1) to a three-mass model of frictional contact on a discrete set of frequencies, based on the equality of the kinetic and potential energies and the selected scale factor, the values of the masses and bond stiffnesses are reduced as follows

Figure 00000065
Figure 00000065

где m1пр - массы кузова и надрессоренной части тележки приведены к массе нагружающего рычага 15; m2пр - масса колесной пары приведена к массе верхнего контробразца 6 (колесу); m3пр - массы рельса, шпалы и балласта приведены к массе нижнего образца 7; С1пp - жесткость люлечного и рессорного подвешиваний приведены к моделируемой жесткости пружины 13; С2пр - контактная жесткость колеса и рельса исследуется методом фактической площади касания; С3пр - жесткость рельса, шпалы и балласта приведены к жесткости тележки 10.where m 1pr - the mass of the body and the sprung part of the trolley are given to the mass of the loading arm 15; m 2pr - the mass of the wheelset is reduced to the mass of the upper counter-sample 6 (wheel); m 3pr - the mass of the rail, sleepers and ballast are given to the mass of the lower sample 7; With 1pr - the stiffness of the cradle and spring suspensions are reduced to the simulated stiffness of the spring 13; With 2pr - the contact stiffness of the wheel and rail is investigated by the method of actual contact area; With 3pr - the stiffness of the rail, sleepers and ballast are reduced to the rigidity of the trolley 10.

Тогда система дифференциальных уравнений (1) примет следующий видThen the system of differential equations (1) takes the following form

Figure 00000066
Figure 00000066

Для определения собственных частот колебаний такой механической системы выберем внешнее воздействие на механическую систему η в виде η=η0·sin(ω t). Тогда перемещениями масс будут следующие выраженияTo determine the natural frequencies of vibrations of such a mechanical system, we choose the external effect η in the form of η = η 0 · sin (ω t) on the mechanical system. Then the mass expressions will be the following expressions

Figure 00000067
Figure 00000067

где аi - амплитуды перемещений масс.where a i are the amplitudes of mass displacements.

После подстановки функций в уравнения (8), получимAfter substituting the functions in equations (8), we obtain

Figure 00000068
Figure 00000068

Несмотря на то, что в уравнениях (9) четыре неизвестных (амплитуды и частота), частоту можно вычислить следующим образом.Despite the fact that in equations (9) there are four unknowns (amplitudes and frequency), the frequency can be calculated as follows.

Из первого и третьего уравнений (9) находим отношения амплитуд колебаний

Figure 00000069
Figure 00000070
и такие же отношения из второго уравненияFrom the first and third equations (9) we find the ratio of the amplitudes of the oscillations
Figure 00000069
Figure 00000070
and the same relationship from the second equation

Figure 00000071
Figure 00000072
Figure 00000071
Figure 00000072

Совместимость полученных выражений приводит к уравнению, в котором одна неизвестная - частота ω:The compatibility of the obtained expressions leads to an equation in which one unknown is the frequency ω:

Figure 00000073
Figure 00000073

Figure 00000074
Figure 00000074

илиor

Figure 00000075
Figure 00000075

Figure 00000076
Figure 00000076

Решив полученную систему уравнений относительно неизвестной частоты ω, можно найти неизвестные значения амплитуд колебаний, подставив значения частот в (10).Having solved the obtained system of equations with respect to the unknown frequency ω, we can find the unknown values of the oscillation amplitudes, substituting the frequency values in (10).

Программное обеспечение испытательных стендов включает специальную программу записи и обработки сигналов с датчиков каткового стенда и установки «Фактическая площадь касания» vibro. Скриншот программы представлен на фиг.11.The software of the test benches includes a special program for recording and processing signals from the sensors of the roller stand and the “Actual Touch Area” vibro installation. A screenshot of the program is presented in Fig. 11.

В программе задается:The program sets:

- частота дискретизации - максимальная частота зависит от тактовой частоты компьютера, технической характеристики АЦП и подбирается экспериментально (например, 40 кГц);- sampling rate - the maximum frequency depends on the clock frequency of the computer, the technical characteristics of the ADC and is selected experimentally (for example, 40 kHz);

- длительность выборки - задает время записи в секундах. Запись начинается с момента нажатия на клавишу СТАРТ и продолжается до истечения времени, заданного в данном пункте или до нажатия на клавишу СТОП. Длительность записи ограничена только размером жесткого диска компьютера;- sampling duration - sets the recording time in seconds. Recording starts from the moment you press the START key and continues until the time specified in this paragraph expires or until you press the STOP key. The recording time is limited only by the size of the computer's hard drive;

- калибровка - уровни, которые установлены в данный момент, считаются нулевыми (выбирается смещение нуля).- calibration - the levels that are currently set are considered zero (a zero offset is selected).

Записанные программой сигналы используются программой обработки сигналов, например MATLAB. Система MATLAB разработана фирмой The MathWorks, Inc. (США, г.Нейтик, шт.Массачусетс) и является интерактивной системой для выполнения инженерных и научных расчетов, ориентированной на работу с массивами данных. Система использует математический сопроцессор и допускает возможность обращения к программам, написанным на языках FORTRAN, С и C++.The signals recorded by the program are used by a signal processing program, for example MATLAB. MATLAB system developed by The MathWorks, Inc. (USA, Neytik, Massachusetts) and is an interactive system for performing engineering and scientific calculations, focused on working with data arrays. The system uses a mathematical coprocessor and allows access to programs written in FORTRAN, C and C ++.

Программное обеспечение вычисляет частотную функцию передачи по результатам обработки сигналов нормальной нагрузки и силы трения и на основе анализа частотной функции передачи осуществляется анализ динамического состояния ФМС, а также проверку ее устойчивости по критериям устойчивости Найквиста, Ляпунова и пр.The software calculates the frequency transfer function based on the results of processing the normal load and friction force signals and, based on the analysis of the frequency transfer function, the FMS dynamic state is analyzed and its stability is checked according to the stability criteria of Nyquist, Lyapunov, etc.

Приведем некоторые теоретические сведения /21…23/.We give some theoretical information / 21 ... 23 /.

Пусть выходной сигнал узла трения у(k) представляет сумму (с весовыми коэффициентами) некоторого количества предыдущих выходных отсчетов, зависящих от некоторого количества входных отсчетов u(k) (включая последний). Если сгруппировать полученные слагаемые так, чтобы с одной стороны от знака равенства были только входные отсчеты, а с другой - только выходные, то получим форму записи, называемую разностным уравнением:Let the output signal of the friction node y (k) represent the sum (with weight coefficients) of a certain number of previous output samples, depending on a number of input samples u (k) (including the last). If we group the obtained terms in such a way that there are only input samples on the one side of the equal sign, and only the weekend on the other, then we get a notation form called the difference equation:

Figure 00000077
Figure 00000077

где k - номер отсчета, aj, bi - вещественные коэффициенты.where k is the reference number, a j , b i are real coefficients.

Структура разностного уравнения похожа на структуру дифференциального уравнения аналоговой системы, только вместо операции дифференцирования в формуле фигурируют задержки дискретных последовательностей сигнала.The structure of the difference equation is similar to the structure of the differential equation of the analog system, but instead of the differentiation operation, the delays of the discrete signal sequences appear in the formula.

Выходной сигнал, исходя из линейности и стационарности рассматриваемой системы, должен представлять собой линейную комбинацию импульсных характеристик:The output signal, based on the linearity and stationarity of the system in question, should be a linear combination of impulse characteristics:

Figure 00000078
Figure 00000078

где w(k) - импульсная характеристика дискретной динамической системы.where w (k) is the impulse response of a discrete dynamic system.

Удобным способом анализа дискретных последовательностей является z-преобразование (z-transform). Смысл его заключается в том, что последовательность чисел {u(k)} ставится в соответствие функции комплексной переменной zA convenient way to analyze discrete sequences is by z-transform. Its meaning is that the sequence of numbers {u (k)} is associated with the function of the complex variable z

Figure 00000079
Figure 00000079

где z-k - элемент памяти дискретного фильтра, осуществляющий задержку дискретной последовательности на k тактов (z-k=e-pT); u(k) - отсчеты входного сигнала; U(z) - z-преобразование входного сигнала.where z -k is a discrete filter memory element delaying a discrete sequence by k clock cycles (z -k = e -pT ); u (k) - samples of the input signal; U (z) is the z-transform of the input signal.

Знание импульсной характеристики дискретной системы позволяет проанализировать прохождение через дискретную систему любого сигнала и найти внутреннее состояние любой динамической системы. Применив z-преобразование к уравнениям дискретной системы (12), получим системную функцию дискретной системы или функцию передачи (transfer function)Knowing the impulse response of a discrete system allows you to analyze the passage through a discrete system of any signal and find the internal state of any dynamic system. Applying the z-transformation to the equations of the discrete system (12), we obtain the system function of the discrete system or the transfer function (transfer function)

Figure 00000080
Figure 00000080

где Y(z) и U(z) - z-преобразования выходного и входного сигналов; w(k) - импульсная характеристика системы от k-го отсчета входного сигнала.where Y (z) and U (z) are the z-transforms of the output and input signals; w (k) is the impulse response of the system from the kth sample of the input signal.

Применив z-преобразование к обеим частям разностного уравнения (11), получимApplying the z-transformation to both sides of the difference equation (11), we obtain

Figure 00000081
Figure 00000081

Отсюда легко получить вид функции передачи дискретной системы:From here it is easy to obtain the form of the transfer function of a discrete system:

Figure 00000082
Figure 00000082

Таким образом, функция передачи физически реализуемой дискретной системы показывает, как изменяется при прохождении через систему комплексная амплитуда синусоиды с частотой ω и может быть представлена в виде отношения полиномов по отрицательным степеням переменной z. Полином числителя характеризует внешнее воздействие на узел трения, а полином знаменателя (характеристический полином) - результат этого воздействия на узел трения.Thus, the transfer function of a physically feasible discrete system shows how the complex amplitude of a sinusoid with frequency ω changes as it passes through the system and can be represented as the ratio of polynomials in negative powers of the variable z. The numerator polynomial characterizes the external impact on the friction unit, and the denominator polynomial (characteristic polynomial) is the result of this effect on the friction unit.

Зная спектры * (* Спектр - форма представления анализируемого сигнала не во временной области исследования, а в частотной. Преобразование сигнала из временного домена исследований в частотный осуществляется алгоритмом быстрого преобразования Фурье согласно выражению

Figure 00000083
) входного и выходного сигналов, дальше рассчитывается взаимный спектр входного и выходного сигналов, представляющий собой произведение их спектральных функций, одна из которых подвергнута комплексному сопряжению:Knowing the spectra * (* Spectrum is a representation of the analyzed signal not in the time domain of the study, but in the frequency domain. The signal is converted from the temporary domain of research into the frequency domain by the fast Fourier transform algorithm according to the expression
Figure 00000083
) of the input and output signals, then the mutual spectrum of the input and output signals is calculated, which is a product of their spectral functions, one of which is subjected to complex conjugation:

Figure 00000084
Figure 00000084

где

Figure 00000085
- комплексное сопряжение спектральной плотности входного сигнала. Если сигнал u(t-τ) - четная функция, то спектр будет чисто вещественным (будет являться четной функцией). Если u(t-τ) - функция нечетная, то спектральная функция
Figure 00000086
будет чисто мнимой (и нечетной);
Figure 00000087
- энергетический спектр входного сигнала, автоспектр; W(ω) - комплексный коэффициент передачи системы; u(t) - входной сигнал, поступающий на узел трения (изменение нормальной нагрузки), Н; у(t) - выходной сигнал, полученный в результате трения (тангенциальная сила трения), Н; t - регистрируемое время, с; τ - временной сдвиг выходного сигнала относительно входного, с ω - регистрируемая частота сигналов
Figure 00000088
, Гц; fд - частота дискретизации АЦП.Where
Figure 00000085
- complex conjugation of the spectral density of the input signal. If the signal u (t-τ) is an even function, then the spectrum will be purely real (it will be an even function). If u (t-τ) is an odd function, then the spectral function
Figure 00000086
will be purely imaginary (and odd);
Figure 00000087
- energy spectrum of the input signal, auto-spectrum; W (ω) is the complex transmission coefficient of the system; u (t) is the input signal supplied to the friction unit (change in normal load), N; y (t) is the output signal resulting from friction (tangential friction force), N; t is the recorded time, s; τ is the time shift of the output signal relative to the input, with ω is the recorded frequency of the signals
Figure 00000088
Hz; f d - sampling frequency of the ADC.

Таким образом, если спектры сигналов не перекрываются, то их взаимный спектр равен нулю на всех частотах и взаимная корреляционная функция этих сигналов будет также равна нулю при любых временных сдвигах τ. Следовательно, сигналы с неперекрывающимися спектрами являются некоррелированными.Thus, if the spectra of the signals do not overlap, then their mutual spectrum is equal to zero at all frequencies and the mutual correlation function of these signals will also be equal to zero for any time shifts τ. Therefore, signals with non-overlapping spectra are uncorrelated.

Из полученного выражения (16) определяется комплексный коэффициент передачи дискретной системыFrom the obtained expression (16), the complex transmission coefficient of the discrete system is determined

Figure 00000089
Figure 00000089

Математические модели динамики реальных технических систем являются, в основном, нелинейными и во многих случаях не могут быть линеаризованы из-за возможности потерять характерные динамические свойства, обусловленные принципиальной нелинейностью уравнений динамики. Однако, с некоторыми ограничениями, частотную передаточную функцию механической системы линеаризовывают по критерию минимума дисперсии выходного сигнала импульсной функции Дирака /24/. Оптимальным порядком полиномов числителя и знаменателя является такой порядок полиномов числителя (m) и знаменателя (n) функции передачи (11), при котором дисперсия выходного импульсного сигнала будет минимальна.The mathematical models of the dynamics of real technical systems are mainly non-linear and in many cases cannot be linearized due to the possibility of losing the characteristic dynamic properties due to the fundamental non-linearity of the equations of dynamics. However, with some limitations, the frequency transfer function of the mechanical system is linearized by the criterion of the minimum dispersion of the output signal of the Dirac impulse function / 24 /. The optimal order of the polynomials of the numerator and denominator is the order of the polynomials of the numerator (m) and the denominator (n) of the transfer function (11), in which the dispersion of the output pulse signal will be minimal.

Результатом анализа амплитудно-фазовочастотных характеристик (АФЧХ) является возможность проверки устойчивости внутреннего пространства состояний системы и значение комплексного коэффициента трения, действующего в зоне трения испытываемых образцов /25, 26/:The result of the analysis of amplitude-phase-frequency characteristics (AFC) is the ability to check the stability of the internal space of the system states and the value of the complex coefficient of friction acting in the friction zone of the tested samples / 25, 26 /:

Figure 00000090
Figure 00000090

где A(ω)=|f(iω)| - амплитудно-частотная характеристика коэффициента трения; ψ(ω)=argf(iω) - фазово-частотная характеристика коэффициента трения; U(ω)=Ref(iω) - вещественная частотная характеристика коэффициента трения; V(ω)=Imf(iω) - мнимая частотная характеристика коэффициента трения.where A (ω) = | f (iω) | - amplitude-frequency characteristic of the coefficient of friction; ψ (ω) = argf (iω) is the phase-frequency characteristic of the friction coefficient; U (ω) = Ref (iω) is the real frequency characteristic of the friction coefficient; V (ω) = Imf (iω) is the imaginary frequency response of the friction coefficient.

Фрагмент программы на языке программирования MATLAB приведен в приложении 1.A fragment of the program in the programming language MATLAB is given in Appendix 1.

Рассмотрим процесс изменения коэффициента сцепления колеса локомотивов с рельсом во времени (фиг.12).Consider the process of changing the coefficient of adhesion of the wheels of locomotives with the rail in time (Fig).

Исследование этого динамического процесса будем выполнять на установке «Фактическая площадь касания» при нормальной нагрузке Nм=0,408 кН (статической нагрузке колеса на рельс No=235 кН, отношении линейных размеров колес локомотива

Figure 00000091
и масштабном факторе нормальной нагрузки СN=C2l=576) и скорости качения колес модели Vм=0,1 м/с и объекта исследования Vo=2,4 м/с=8,64 км/ч. Результаты приведены на фиг.13, соответствующие трению качения колеса по рельсу (фиг.12.а), трению качения с проскальзыванием (фиг.12.б) и чистому скольжению колеса по рельсу (фиг.12.в).The study of this dynamic process will be performed on the installation “Actual contact area” at normal load N m = 0.408 kN (static wheel load on the rail N o = 235 kN, with respect to the linear dimensions of the wheels of the locomotive
Figure 00000091
and the scale factor of the normal load ( N = C 2 l = 576) and the rolling speed of the model wheels V m = 0.1 m / s and the object of study V o = 2.4 m / s = 8.64 km / h. The results are shown in Fig.13, corresponding to the rolling friction of the wheel along the rail (Fig.12.a), rolling friction with slipping (Fig.12.b) and the clean sliding of the wheel along the rail (Fig.12.c).

Использование данной методики позволяет прогнозировать момент срыва сцепления по форме годографа Найквиста, характеризующей перераспределение диссипативной и консервативной составляющих энергии фрикционного взаимодействия анализируемой трибосистемы. При высоких значениях (ψ>0.25) коэффициента сцепления (фиг.13.а) относительное проскальзывание незначительное и, как следствие, основная часть кривой Найквиста расположена в высокочастотной области. Перед срывом сцепления происходит перераспределение консервативной и диссипативной составляющих энергии в сторону увеличения последней. Увеличение диссипативной составляющей обуславливает «вытягивание» годографа Найквиста вдоль мнимой оси (фиг.13.б) более 30%. Срыв сцепления (фиг.13.в) характеризуется мгновенным перераспределением работы сил трения.Using this technique, it is possible to predict the moment of friction disengagement in the form of the Nyquist hodograph, which characterizes the redistribution of the dissipative and conservative components of the frictional interaction energy of the analyzed tribosystem. At high values (ψ> 0.25) of the adhesion coefficient (Fig.13.a), the relative slippage is negligible and, as a result, the main part of the Nyquist curve is located in the high-frequency region. Before the clutch breaks down, the conservative and dissipative components of the energy are redistributed towards the latter. The increase in the dissipative component causes the "stretching" of the Nyquist hodograph along the imaginary axis (Fig.13.b) more than 30%. Disruption of adhesion (Fig.13.v) is characterized by instant redistribution of the work of friction forces.

На основании полученной методики разработана система прогнозирования срыва сцепления колеса с рельсом на основе анализа корреляционной связи между активным и реактивным моментами на осях колесных пар с последующим воздействием на силовые приводы и приводы подачи активизатора сцепления (модификатора трения).Based on the obtained methodology, a system was developed for predicting the breakdown of the adhesion of a wheel to a rail based on an analysis of the correlation between the active and reactive moments on the axles of the wheelsets with subsequent action on the power drives and feed drives of the clutch activator (friction modifier).

Figure 00000092
Figure 00000093
Figure 00000092
Figure 00000093

Claims (1)

Способ испытаний узлов трения, при котором механические системы объектной и модельной фрикционных механических систем (ФМС), состоящей из подсистемы механической и подсистемы или подсистем фрикционных, при этом механические подсистемы описываются системой аналогичных линеаризованных дифференциальных уравнений, а процессы, протекающие на фрикционном контакте (ФК) «объекта» и «модели», описываются аналогичными математическими моделями, уравнениями регрессии, получаемыми при натурном эксперименте, например, с применением математического планирования полного или дробного факторного эксперимента, при этом между параметрами «объекта» и «модели» обеспечивается следующее соотношение: отношение линейных размеров объекта (L) и модели (l) равно геометрическому масштабу подобия
Figure 00000094
отношение времени протекания исследуемых процессов объекта (Т) и модели (t) равно
Figure 00000095
отношение физико-механических параметров материалов (модуля упругости, температуры объемной и ее градиента и т.д.) объекта (Ф) и модели (ф) равно
Figure 00000096
отношение внешних сил, действующих внутри системы, объекта (F) и модели (f) равно
Figure 00000097
отношение площадей объекта (S) и модели (s) равно
Figure 00000098
отличающийся тем, что отношение амплитуд колебаний связей механических подсистем и деформаций микронеровностей объекта (А) и модели (а) равно
Figure 00000099
отношение параметров микрогеометрии фрикционных поверхностей объекта (Н) и модели (h) равно
Figure 00000100
отношение контактного давления объекта (Q) и модели (q) равно
Figure 00000101
отношение линейных скоростей скольжения объекта (V) и модели (ν) равно
Figure 00000102
отношение масс объекта (М) и модели (m) равно
Figure 00000103
отношение жесткостей объекта (С) и модели (с) равно
Figure 00000104
отношение частот колебаний объекта (Ω) и модели (ω) равно
Figure 00000105
отношение удельных величин спектральных плотностей мощности
Figure 00000106
Figure 00000107
- спектральная плотность сигнала x(t) в единицу времени Т на частоте Ω, приходящаяся на единицу площади S поверхности), при этом правые части дифференциальных уравнений (внешние возмущающие воздействия математических моделей ФМС) обеспечивают выполнение констант подобия амплитуды колебаний
Figure 00000108
и частоты колебаний
Figure 00000109
при этом измерение трибопараметров ФМС осуществляется во время проведения испытаний, коэффициент трения представляется в виде комплексной функции, т.е. в виде отношения взаимного трибоспектра в тангенциальном и нормальном направлениях к автотрибоспектру в нормальном направлении, действительная часть которого характеризует упругие, а мнимая - диссипативные свойства подсистемы фрикционного контакта, одновременно выполняется контроль и фиксирование удельной площади касания в реальном масштабе времени, например, методом проводимости в паре металл-металл или методом лазерного просвечивания в паре металл-полимер, а значение контактной температуры (максимальной объемной температуры, температуры на вершинах микронеровностей контакта) определяется формулой
Figure 00000110

где J - ток, проходящий через контакт;
Rк - сопротивление контакта;
αТ - коэффициент внешней теплоотдачи;
ρ - удельное сопротивление,
lK - «длина» контакта.
A method of testing friction units, in which the mechanical systems of the object and model frictional mechanical systems (FMS), consisting of a mechanical subsystem and a subsystem or friction subsystems, while the mechanical subsystems are described by a system of similar linearized differential equations, and the processes occurring on the friction contact (FC) “Objects” and “models” are described by similar mathematical models, regression equations obtained in a full-scale experiment, for example, using mathematical th scheduling full or fractional factorial experiment, with between the parameters "object" and "model" is provided with the following relationship: the ratio of the linear dimensions of the object (L) and models (l) is equal to the geometric similarity scale
Figure 00000094
the ratio of the flow time of the investigated processes of the object (T) and model (t) is
Figure 00000095
the ratio of physical and mechanical parameters of materials (elastic modulus, volumetric temperature and its gradient, etc.) of the object (Ф) and model (f) is equal to
Figure 00000096
the ratio of external forces acting inside the system, object (F) and model (f) is
Figure 00000097
the ratio of the areas of the object (S) and model (s) is
Figure 00000098
characterized in that the ratio of the amplitudes of the oscillations of the bonds of the mechanical subsystems and the deformations of the microroughness of the object (A) and model (a) is equal to
Figure 00000099
the ratio of the microgeometry parameters of the friction surfaces of the object (H) and the model (h) is
Figure 00000100
the ratio of the contact pressure of the object (Q) and model (q) is
Figure 00000101
the ratio of the linear sliding velocities of the object (V) and the model (ν) is
Figure 00000102
the mass ratio of the object (M) and model (m) is
Figure 00000103
the ratio of the stiffnesses of the object (C) and model (c) is
Figure 00000104
the ratio of the oscillation frequencies of the object (Ω) and the model (ω) is
Figure 00000105
ratio of specific values of power spectral densities
Figure 00000106
Figure 00000107
- the spectral density of the signal x (t) per unit time T at a frequency Ω per unit area S of the surface), while the right-hand sides of the differential equations (external disturbing effects of mathematical models of the FMS) ensure that the similarity constant
Figure 00000108
and oscillation frequencies
Figure 00000109
the measurement of the FMS triboparameters is carried out during the tests, the friction coefficient is presented as a complex function, i.e. in the form of the ratio of the mutual tribospectrum in the tangential and normal directions to the autotribospectrum in the normal direction, the real part of which characterizes the elastic and imaginary - dissipative properties of the friction contact subsystem, at the same time, the specific contact area is monitored and recorded in real time, for example, using the pair conductivity method metal-metal or by laser transmission in a metal-polymer pair, and the contact temperature (maximum volume temperature, perature microroughness on the tops of pins) defined by the formula
Figure 00000110

where J is the current passing through the contact;
R to - contact resistance;
α T is the coefficient of external heat transfer;
ρ is the resistivity
l K is the “length” of the contact.
RU2006121024/28A 2006-06-13 2006-06-13 Frictional unit test technique RU2343450C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006121024/28A RU2343450C2 (en) 2006-06-13 2006-06-13 Frictional unit test technique

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006121024/28A RU2343450C2 (en) 2006-06-13 2006-06-13 Frictional unit test technique

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2006121024A RU2006121024A (en) 2007-12-27
RU2343450C2 true RU2343450C2 (en) 2009-01-10

Family

ID=39018595

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006121024/28A RU2343450C2 (en) 2006-06-13 2006-06-13 Frictional unit test technique

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2343450C2 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2467308C1 (en) * 2011-07-26 2012-11-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) Method for determining rolling friction coefficient and rolling resistance coefficient
RU2517946C2 (en) * 2012-04-05 2014-06-10 Владимир Владимирович Шаповалов Method of dynamic monitoring of friction mobile systems
RU2663095C1 (en) * 2017-07-06 2018-08-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный химико-технологический университет" (ИГХТУ) Sliding friction coefficient in the gear transmission determination method
RU2745382C1 (en) * 2020-03-19 2021-03-24 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО РГУПС) Method for dynamic monitoring of high mobile non-linear technical systems
RU2745984C1 (en) * 2020-03-19 2021-04-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО РГУПС) Dynamic monitoring of mobile nonlinear technical systems
RU2748933C1 (en) * 2020-03-19 2021-06-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО РГУПС) Dynamic monitoring of friction units of mobile technical systems

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2467308C1 (en) * 2011-07-26 2012-11-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) Method for determining rolling friction coefficient and rolling resistance coefficient
RU2517946C2 (en) * 2012-04-05 2014-06-10 Владимир Владимирович Шаповалов Method of dynamic monitoring of friction mobile systems
RU2663095C1 (en) * 2017-07-06 2018-08-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный химико-технологический университет" (ИГХТУ) Sliding friction coefficient in the gear transmission determination method
RU2745382C1 (en) * 2020-03-19 2021-03-24 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО РГУПС) Method for dynamic monitoring of high mobile non-linear technical systems
RU2745984C1 (en) * 2020-03-19 2021-04-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО РГУПС) Dynamic monitoring of mobile nonlinear technical systems
RU2748933C1 (en) * 2020-03-19 2021-06-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО РГУПС) Dynamic monitoring of friction units of mobile technical systems

Also Published As

Publication number Publication date
RU2006121024A (en) 2007-12-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Pletz et al. A wheel set/crossing model regarding impact, sliding and deformation—Explicit finite element approach
Rigaud et al. Experiments and numerical results on non-linear vibrations of an impacting Hertzian contact. Part 1: harmonic excitation
RU2343450C2 (en) Frictional unit test technique
He et al. Baseline-free damage localization method for statically determinate beam structures using dual-type response induced by quasi-static moving load
Rauert et al. On the prediction of the interaction effect caused by continuous ballast on filler beam railway bridges by experimentally supported numerical studies
Yang et al. Modelling of non-steady-state transition from single-point to two-point rolling contact
CN116484510B (en) Dynamic behavior analysis method, dynamic behavior analysis device, computer equipment and storage medium
Zhang et al. Design, calibration and validation of a wheel-rail contact force measurement system in V-Track
Aceituno et al. On the design of a scaled railroad vehicle for the validation of computational models
Bosso et al. Experimental setup of an innovative multi-axle roller rig for the investigation of the adhesion recovery phenomenon
Lundberg et al. A nonlinear state-dependent model for vibrations excited by roughness in rolling contacts
Shapovalov et al. Application of methods physical and mathematical modeling for a research of nonlinear mechanical systems on the example of the rolling stock
Sadri et al. Effects of railway track design on the expected degradation: Parametric study on energy dissipation
Wu et al. Study on corrugated wear on high-speed railways based on an improved finite element model of wheel-rail rolling contact
Yang et al. Dynamic responses of a four-span continuous plate structure subjected to moving cars with time-varying speeds
Jiang et al. Application of KLE‐PEM for Random Dynamic Analysis of Nonlinear Train‐Track‐Bridge System
Li et al. Strain field reconstruction of high-speed train crossbeam based on FBG sensing network and load-strain linear superposition algorithm
Popp et al. System dynamics and long-term behaviour of railway vehicles, track and subgrade: report on the DFG priority programme in Germany and subsequent research
Xiang et al. Friction-induced vibration and noise performance of high-speed train friction braking under the evolution of residual height of friction block
Delprete et al. An easy instrument and a methodology for the monitoring and the diagnosis of a rail
Hao et al. Investigation of transient wheel-rail interaction and interface contact behaviour in movable-point crossing panel
D’Adamio et al. Development of a dynamical weigh in motion system for railway applications
Mehrali et al. Investigating on Vehicle-Slab Track Interaction Considering Random track bed Stiffness
Rice et al. Modeling friction and wear phenomena
Lee et al. Dynamic model for the wheel–rail contact friction

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090614