ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ СЦЕПЛЕНИЯ КОЛЕС ЭЛЕКТРОВОЗА С РЕЛЬСАМИ

 

Бусаров В.Г. (МИИТ, г.Москва, Россия)

 

К настоящему времени известны многочисленные теоретические и экспериментальные исследования в области сцепления, более ранние из которых содержат детерминированные расчеты силы сцепления, основанные на законе Амонтона-Кулона более поздние, в том числе и современные, расчеты с применением компьютерных технологий на основе анализа  макродеформаций и сил непрерывной упругой среды колесо-рельс с постоянными физико-химическими свойствами.

Наряду с этими исследованиями для более полного анализа сцепления целесообразно исходить из энергии взаимодействия контактирующих микрочастиц приповерхностных, в несколько ангстрем, слоев материалов бандажа и рельса. Насколько известно, подобные исследования процессов сцепления на микроуровне до сих пор  не выполнялись.

Во-первых, здесь рассматривается случайный процесс взаимодействия колеса и рельса в функции времени при случайной нормальной нагрузке на колесо G, случайной величине момента тягового двигателя М и случайного интервала времени контактирования микрочастиц материалов бандажа и рельса t_к, при условии существования которых энергия активации приобретает тоже случайное значение;

          во-вторых, рассматривается не упругая среда с постоянными физико-механическими свойствами, а упругая среда, состоящая из множества микрочастиц, которые могут перемещаться в ней одна независимо от другой. Следуя такой постановке вопроса, мы рассматриваем среду контактирования колеса  и  рельса  не  как  однородную  ортотропную среду, а как твердый сплав

железо-углерод, состоящий из микрочастиц с его эвтектоидными свойствами и различного рода включениями и дисклинациями;

          в-третьих, коэффициент сцепления Ψ определяется не из условия равновесия внешних и внутренних сил, а из условия равенства внешней и внутренней потенциальных энергий взаимодействующих микрочастиц, что приближает нас к более полному представлению о происходящих физических процессах в контакте колеса с рельсом.       

При прямолинейном движении колеса внутренняя энергия       взаимодействия пары контактирующих микрочастиц может быть рассчитана по уравнению Морса:

                              U(∆X_i) = D{exp[ –2α · ∆X_i ] – 2exp[ –α · ∆X_i ]},

где ΔX_i = X_i – X₀    –  деформация i-ой микрочастицы под действием силы тяги; D – энергия диссоциации микрочастиц; α – параметр микрочастицы.

Силу взаимодействия пары контактирующих микрочастиц, являющую­ся составляющей силы их сцепления, найдем как производную от энер­гии по перемещению ( деформации ):                                                                                                   

                                                           ∂U_вн

                                              F_сцi =│–––––│           .

                                                             ∂X     X = X_i                                                                                                   

Для определения максимального значения составляющей Ψ_внmax коэффициента сцепления, следует учесть, что структура материала бандажа и рельса не монолит, а твердый рас­твор железо-углерод, вследствие чего нарушение сцепления проис­ходит не мгновенно и не одновременно на всей фактической площади контакта микрочастиц материалов бандажа и рельса. Поэтому для оп­ределения составляющей Ψ_внmax коэффициента сцепления следует исходить не из обычно принятого в тяге поездов соотношения         F_max = 1000 · G · Ψ_max , где G – норма массы поезда, а  из факта изменения в единицу времени, во-первых, внутренней энергии контактирующих микрочастиц материалов бандажа и рельса и, во-вторых, из мощности процесса их сцепления.