ТРАНСВУЗ-2015.Часть 3

Ремонт и динамика подвижного состава

условия трения в месте контакта системы «колосе-колодка-рельс» в целом. За счет применения композитных цилиндрических вставок, в сечении всей поверхности тела колодки, будет происходить очистка поверхности катания колеса и смазывание поверхности головки рельса. Регулярное очищение поверхности катания колеса от загрязнений и отслоившихся участков в процессе торможения, смазывание гребня колеса приводит к увеличению межремонтного периода обслуживания колесных пар, связанного с заменой изношенных колес, также уменьшается потребление тормозных колодок, так как абразивная стойкость композиционных сплавов в 2-4 раза выше чугуна и стали. Поскольку контактная поверхность системы «тормозная колодка – колесо» выполнена из композиционного состава, вследствие этого уменьшится шумовое загрязнение в процессе торможения.

Фрикционные элементы, имеют различную высоту, элементы с большей высотой расположены на краях стального каркаса. Такое исполнение, при прогибе тела колодки в средней части при давлении на колодку в процессе торможения, приводит к плотному прилеганию всей поверхности основного участка колодки, к более быстрому притиранию колодок и повышению надежности тормозной системы.

Возможность изготовления колодок с использованием различных материалов и технологий фрикционных и антифрикционных элементов позволяет улучшить их качество и получать технические показатели колодок с учетом конкретных требований в зависимости условий работы железнодорожных вагонов.

Список литературы

1.Балановский, А. Е. Система колесо-рельс [Текст]: монография: в 3 ч. Ч. 1. Конец системы колесо-рельс и вновь начало / А. Е. Балановский; Иркутский государственный технический университет. - Иркутск: ИрГТУ,

2011. - 1011 с.

2.Вуколов, Л. А. Повышение работоспособности тормозных колодок подвижного состава железных дорог; автореферат диссертация доктора технических наук / Л. А. Вуколов. – ВНИИЖТ, 1989

80

ТРАНСВУЗ – 2015

3.Гура, Г. С. Механика и трибология движения колесной пары в рельсовой колее [Электронный ресурс]: монография / Г. С. Гура; Учебнометодический центр по образованию на железнодорожном транспорте. - Электрон. текстовые дан. - М.: УМЦ ЖДТ, 2013. - Режим доступа: http://e.lanbook.com. - Загл. с титул, экрана. - Б. ц.

4.Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2-х кн. Кн.2. Т66 / Под ред. И. В. Крагельского и В. В. Алисина. – М.: Машиностроение, 1979. – 358 с.

5.Больных, А. О. Краткий анализ особенностей тормозных систем подвижного состава железных дорог / А. О. Больных // Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава: Материалы второй всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Омский гос. ун-т путей сообщения.

Омск, 2013. С. 162 – 171.

УДК 543.421/.424

А. А. Шульева, К. В. Аверков, Д. В. Муравьев

ПРИМЕНЕНИЕ ЭМИССИОННОГО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МАТЕРИАЛА ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ ТЕЛЕЖЕК

В статье предлагается применить эмиссионный спектральный анализ, а именно эмиссионный спектрометр Аргон-5 СФ для определения хим. состава материала. Приводится сравнительная характеристика методов аналитической химии, обоснование выбора данного метода, а также принцип работы спектрометра.

Утром в субботу, 12 января 2013 года, на перегоне Слюдянка-Утулик произошла авария, приведшая к сходу с рельсов 22 вагонов с углем (рис. 1). В результате погибла бригада маневрового локомотива, шедшего по встречному пути. Причиной схода поезда стал излом боковой рамы тележки одного из вагонов. Этот случай стал наиболее трагичным из длинной череды аварий, причиной которых являлся излом литых деталей тележки.

Литые детали тележек даже старой конструкции спроектированы с существенным запасом прочности и могут надежно выполнять свои функции

81

Ремонт и динамика подвижного состава

даже в условиях повышенных нагрузок и отрицательных температур [1]. Главными причинами изломов являются литейные дефекты, допущенные при изготовлении и несоответствующее качество металла. В связи с этим возникает проблема оценки качества материала литых деталей тележек. Решением подобных задач занимается металлография. Важнейшей составляющей металлографии является химический анализ сплава. Именно химический анализ способен дать четкий ответ соответствует ли качество данного материала необходимому.

Рис. 1. Последствия аварии 12 января 2013 года на перегоне Слюдянка-Утулик

Наукой, занимающейся изучением химического состава и структуры веществ является Аналитическая химия [2]. Основная цель аналитической химии – определение химических элементов или групп элементов, входящих в состав веществ.

Существует множество методов аналитической химии, условно их разделить на две группы: химические и физико-химические. На рис. 2 представлены наиболее широко используемые методы аналитической химии.

К химическим относятся: гравиметрический и титриметрический методы. Гравиметрический анализ основан на точном измерении массы вещества. Определяемое вещество обычно выделяют из анализируемой пробы в виде

82

ТРАНСВУЗ – 2015

осадка, образующегося при растворении пробы. Затем, зная навеску анализируемой пробы, массу осадка и его состав, вычисляют содержание определяемого вещества. Основным инструментом при этом являются аналитические весы.

Титриметрический анализ основан на измерении объёма раствора реактива точно известной концентрации, расходуемого для реакции с определяемым веществом.

Оба метода не требуют сложного оборудования и отличаются достаточно высокой точностью (до 0,2-0,4 %). Однако занимают достаточно длительное время и требуют высокой квалификации и, следовательно, не подходят для решения поставленной задачи. Кроме того, они требуют предварительного растворения образцов.

Рис. 2. Классификация наиболее распространенных методов анализа химического состава сплавов.

Физико-химические методы весьма разнообразны, они включают: спектрофотометрические, электрохимические, хроматографические и пр. методы.

Электрохимические методы анализа и исследования основаны на изучении и использовании процессов, протекающих на поверхности электрода или в при электродном пространстве. Любой электрический параметр (потенциал, сила тока, сопротивление и др.), функционально связанный с

83

Ремонт и динамика подвижного состава

концентрацией анализируемого раствора и поддающийся правильному измерению, может служить аналитическим сигналом. Недостатком является то, что пробу необходимо предварительно растворять, что не всегда возможно, особенно если речь идет о деталях машин.

Хроматографический метод основан на многократном повторении актов сорбции и десорбции вещества при перемещении его в потоке подвижной фазы вдоль неподвижного сорбента. Разделение сложных смесей хроматографическим способом основано на различной сорбируемости компонентов смеси. Здесь опять же требуется растворение, что не всегда возможно.

На сегодняшний день в промышленности наибольшее распространение получили спектрофотометрические методы. Они основаны на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Это взаимодействие приводит к различным энергетическим переходам, которые регистрируются экспериментально в виде поглощения излучения, отражения и рассеяния электромагнитного излучения. Эти методы, как правило, требуют специального точного оборудования, однако скорость и точность анализа здесь наиболее высокие (спектрометрия – один из самых точных разделов современной физики). Кроме того, современные аппараты для спектроскопического анализа достаточно просты в эксплуатации и не требуют высокой квалификации от оператора.

Рентгенофлуоресцентный анализ проводится посредством воздействия на металл рентгеновским излучением и анализа флуоресценции при помощи современной электроники. Данный метод характеризуется высокой мобильностью (существуют удобные портативные рентгенофлуоресцентные спектрометры), не требует высокой квалификации от оператора (достаточно направить спектрометр на объект, включить и через некоторое время получить данные). Недостаток является низкая точность определения содержания легких элементов, таких как углерод, сера и фосфор. Именно эти элементы в основном определяют качество стали.

Эмиссионные методы – это совокупность методов элементного анализа, основанных на изучении спектров испускания свободных атомов и ионов в газовой фазе. Способ определения элементного состава вещества по оптическим линейчатым спектрам излучения атомов и ионов анализируемой

84

ТРАНСВУЗ – 2015

пробы, возбуждаемым в источниках света. В качестве источников света для атомно-эмиссионного анализа используют пламя горелки или различные виды плазмы, включая плазму электрической искры или дуги, плазму лазерной искры, индуктивно-связанную плазму, тлеющий разряд и др.

Наибольшее распространение получили методы с использованием: электрического искрового разряда (электроискровая эмиссия), индуктивно связанной плазмы и лазерного луча (Лазерно-искровая спектрометрия).

Недостатком второго способа является необходимость предварительного растворения материала образца. Растворение представляется неудобным в производственных условиях, поскольку чаще всего для этого используется серная кислота.

Метод лазерно-искровой спектрометрии характеризуется очень локальным воздействием лазерного луча. Полученный химический состав в точке падения луча может существенно отличаться от химического состава соседних областей. Этот метод больше подходит для глубоких научных исследований, чем для производственных условий.

На сегодняшний день наиболее подходящим методом определения химического состава литых деталей подвижного состава является электроискровая спектрометрия.

Одним из лучших устройств, предназначенных для проведения эмиссионного анализа, является отечественный прибор «Аргон-5 СФ» (рис. 3)

В основу работы спектрометра положен метод эмиссионного спектрального анализа, использующий зависимость интенсивности спектральных линий от содержания элемента в пробе.

Принцип работы прибора состоит в следующем. В промежутке между анализируемым металлическим образцом и вольфрамовым электродом создается низковольтный униполярный разряд. Промежуток между образцом и электродом продувается аргоном высокой чистоты (не менее 99,998%). Энергия разряда контролируется компьютером.

Этот способ возбуждения спектра является общепринятым в современных эмиссионных приборах и позволяет добиться хорошей сходимости и точности результата. Излучение разряда, содержащее все спектральные линии легирующих и примесных элементов анализируемого образца, передается в спектрометр через собирающую линзу. Для разложения

85

Ремонт и динамика подвижного состава

излучения в спектр используется вогнутая дифракционная решетка, а для регистрации разложенного спектра применяется набор линейных фотодиодных твердотельных приемников излучения типа ПЗС.

Рис. 3. Эмиссионные спектрометр «Аргон-5 СФ»

Во время работы производится откачка воздуха из оптического блока с помощью безмасляного вакуумного насоса, что позволяет регистрировать спектральные линии, расположенные в области вакуумного ультрафиолета (например, линии серы и фосфора).

Система управления, реализованная на базе IBM совместимого встроенного либо внешнего персонального компьютера (ПК), обеспечивает автоматическое измерение спектров с занесением результатов измерений в базу данных, тестирование, управление всеми системами спектрометра, оптимизацию режимов измерения, математическую обработку спектральных данных, работу со спектральной базой данных. Результат анализа измеренного образца выводиться на экран компьютера в виде графика интенсивностей характерных спектральных линий спектров элементов, входящих в состав данного анализируемого вещества (рис. 4.), с помощью которого мы можем определить на какой длине волны какой-либо элемент проявляет большую интенсивность, и отчет по результатам проведенных измерений (в виде таблицы) на котором показывается процентное содержание всех элементов и

86

ТРАНСВУЗ – 2015

результат сортировки марка ГОСТа, ближайшая по химическому составу к измеренному образцу.

Рис. 4. График интенсивности элементов.

Спектральный количественный анализ дает возможность определять качественный и количественный состав вещества. В отличии от других методов анализа, ему характерна высокая чувствительность и быстрота выполнения. Одним из преимуществ эмиссионного спектрального анализа является то, что для его осуществления не потребуется много материла (буквально несколько миллиграммов). С его помощью определяют многие элементы, содержание которых не превышает тысячные и десятитысячные доли процента. Таким образом мы абсолютно точно можем определить химический состав и оценить качество материала.

Список литературы

1.Кузьмич, Л. Н. Вагоны. Проектирование, устройство и методы испытаний [Текст] / Л. Н. Кузьмич – М.: Машиностроение, 1978. – 376с.

2.Жуков, А. Ф. Аналитическая химия. Физико-химические методы анализа [Текст] / А. Ф. Жуков – М.: Химия, 2001. – 496с.

87

Ремонт и динамика подвижного состава

УДК 621.317.331

Р. А. Ахмеджанов, А. О. Бельский, Е. А. Щелканова

РАЗРАБОТКА БЕСПРОВОДНОГО ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ КОНСТРУКЦИИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Рассмотрены структурные и схемотехнические аспекты построения беспроводного тензометрического датчика, ориентированного на использование в процессе ресурсных испытаний боковых рам тележек железнодорожных грузовых вагонов. Проведен анализ основных метрологических характеристик. Намечены пути снижения погрешностей измерения.

В последние годы на сети железных дорог России одной из основных проблем, возникающих при эксплуатации вагонов, являются изломы боковых рам двухосных трехэлементных тележек, что приводит к разнообразным последствиям: от схода подвижного состава до крушений (рис. 1. а, б) с человеческими жертвами.

Изломы боковых рам наносят значительный экономический ущерб как ОАО «РЖД», так и собственникам подвижного состава. При этом затраты на

88

ТРАНСВУЗ – 2015

устранение последствий каждого аварийного случая исчисляются десятками миллионов рублей без учета затрат на восстановление поврежденного подвижного состава и груза.

Прецизионная тензометрия является неотъемлемой частью статических и динамических измерений, реализуемых в ходе испытаний ответственных технических изделий, к важнейшим из которых следует отнести литые детали тележек железнодорожных вагонов (боковые рамы).

В разработанном ОАО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» проекте межгосударственного стандарта на методы ресурсных испытаний боковых рам тележек железнодорожных грузовых вагонов локализованы зоны повышенной ответственности, характеризующиеся повышенным риском отказов. При этом стандарт определяет места монтажа значительного количества тензорезистивных датчиков [1].

Учитывая достаточно жесткие условия проведения испытаний (в части изменения температуры окружающей среды, наличия тряски и вибраций, необходимости минимизации количества технологических кабелей), задача создания многоканальных тензоизмерительных средств с беспроводным интерфейсом и автономным питанием является весьма актуальной.

Основу разработанного преобразователя составляет прецизионный многоканальный аналого-цифровой преобразователь [2] с встроенным микроконтроллером фирмы Analog Devices, структурная схема которого приведена на рис. 2.

ADuC847 является функционально законченным контроллером для интеллектуальных датчиков, содержащем сигма-дельта АЦП высокого разрешения, входной мультиплексор с гибкой перепрограммируемой структурой на 10/8 каналов (в зависимости от количества выводов в примененном корпусе), датчик температуры и усилитель с программируемым коэффициентом передачи (PGA), быстрый восьми разрядный микроконтроллер и встроенную Flash/EE память программ и данных.

АЦП с встроенным фильтром и программируемым выходным потоком данных обеспечивает измерение в широком динамическом диапазоне низкочастотных сигналов низкого уровня, снимаемых непосредственно с тензодатчиков [3].

89