Прогнозування зносу та вибір матеріалів контактних вставок електротранспорту на основі енергетичної моделі методом скінчених елементів

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2026.354922

Ключові слова:

фрикційна взаємодія, фулеренова сажа, контактна вставка, прогнозування зносу, енергетична модель

Анотація

Об’єктом дослідження виступала контактна пара «вставка контактна тролейбусна «ВКТ» – дріт живлення». Проблема, що вирішувалася, пов’язана з відсутністю у класичних моделях Archard і Karman урахування теплових ефектів, фазових змін і термопом’якшення матеріалу, що ускладнює прогнозування зносу в реальних умовах. Для розв’язання цієї проблеми розроблено енергетично-температурну модель зносу (ETW), яка інтегрує механічні, термічні та енергетичні процеси у зоні контакту. На відміну від існуючих підходів, модель враховує температурозалежну твердість H(T) та локальні поля контактного тиску і фрикційних напружень, визначені методом скінченних елементів (FEM) у середовищі Ansys. Особливості досідження полягають у гібридному підході до прогнозування зносу – інтеграції математичного та FEM-моделювання. Отримані результати включають напруження за Мізесом σmax = 16.24 МПа (аморфний вуглець), 18.99 МПа (електрографіт – EG) та 30.53 МПа (мідно-графітовий композит Cu–40%C(f) 0,90 – CU). За умов ковзання Stotal = 0.2 м при контактному тиску p = 0.5 МПа глибина зносу для EG становить 1.99·10⁻5 мм, що екстраполюється до 47.8 мм на 450 км і перевищує допустимі 10 мм, тоді як для CU знос зменшується до 2.2 мм. Показано, що зниження зносу зумовлене більшою твердістю CU (120–135 HV) і рівномірнішим розподілом контактних напружень, що підтверджує ефективність ETW-моделі. Практична значущість результатів полягає у можливості обґрунтованого вибору матеріалів ВКТ, зокрема мідно-фулеренових композитів (Cu–0.5% FS), для підвищення зносостійкості та стабільності струмознімання за умови пріоритетного зносу вставки порівняно з контактним дротом. Сфера практичного використання результатів охоплює проєктування матеріалів струмоприймальних систем електротранспорту

Біографії авторів

Костянтин Едуардович Голенко, Хмельницький національний університет

Кандидат технічних наук, старший викладач

Кафедра трибології, автомобілів та матеріалознавства

Олександр Володимирович Диха, Хмельницький національний університет

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри

Кафедра трибології, автомобілів та матеріалознавства

Орест Зенонович Горбай, Національний університет «Львівська політехніка»

Доктор технічних наук, професор

Кафедра проєктування машин та автомобільного інжинірингу

Олексій Сергійович Ковтун, Хмельницький національний університет

Аспірант

Кафедра трибології, автомобілів та матеріалознавства

Володимир Олександрович Дитинюк, Хмельницький національний університет

Доктор філософії (PhD), викладач

Кафедра трибології, автомобілів та матеріалознавства

Посилання

  1. Wilk, A., Bartłomiejczyk, M., Skibicki, J., Jarzębowicz, L., Karkosinski, D. R., Hupka, Ł. et al. (2025). Processing and analysis of trolleybus traction data using LINQ technology. Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences, 73 (4), 154144–154144. https://doi.org/10.24425/bpasts.2025.154144
  2. Jakubowski, A., Jarzebowicz, L., Bartłomiejczyk, M., Skibicki, J., Judek, S., Wilk, A., Płonka, M. (2021). Modeling of Electrified Transportation Systems Featuring Multiple Vehicles and Complex Power Supply Layout. Energies, 14 (24), 8196. https://doi.org/10.3390/en14248196
  3. Apostolidou, N., Papanikolaou, N. (2018). Energy Saving Estimation of Athens Trolleybuses Considering Regenerative Braking and Improved Control Scheme. Resources, 7 (3), 43. https://doi.org/10.3390/resources7030043
  4. Barbone, R., Mandrioli, R., Ricco, M., Paternost, R. F. P., Franco, F. L., Grandi, G. (2022). Flexible and Modular Model for Smart Trolleybus Grids. 2022 IEEE 16th International Conference on Compatibility, Power Electronics, and Power Engineering (CPE-POWERENG), 1–6. https://doi.org/10.1109/cpe-powereng54966.2022.9880904
  5. Paternost, R. F., Mandrioli, R., Barbone, R., Ricco, M., Cirimele, V., Grandi, G. (2022). Catenary-Powered Electric Traction Network Modeling: A Data-Driven Analysis for Trolleybus System Simulation. World Electric Vehicle Journal, 13 (9), 169. https://doi.org/10.3390/wevj13090169
  6. Skurikhin, V. (2014). Determination of wearproofness of contact wire by the method of complete factor experiment. Technology Audit and Production Reserves, 1 (2 (15)), 26–30. https://doi.org/10.15587/2312-8372.2014.21251
  7. Bolshakov, Yu. L., Antonov, A. V. (2015). Investigation of properties of current collector elements and their effect on the performance of tribosystem «contact wire - current collector element». Science and Transport Progress, 6 (60), 35–44. https://doi.org/10.15802/stp2015/57006
  8. Chen, M., Allen, T. (2021). Trolleybus Catenary-Pantograph Self-generation Contact Force Under Preload. World Journal of Applied Physics, 6 (4), 60. https://doi.org/10.11648/j.wjap.20210604.12
  9. Dykha, A., Aulin, V., Makovkin, O., Posonskiy, S. (2017). Determining the characteristics of viscous friction in the sliding supports using the method of pendulum. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (7 (87)), 4–10. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.99823
  10. Pan, L., Yang, C., Xing, T., Yu, Q. (2025). An Experimental Investigation of the Electrical Tribological Characteristics of a Copper–Silver Alloy Contact Wire/Novel Pure Carbon Slider. Lubricants, 13 (2), 87. https://doi.org/10.3390/lubricants13020087
  11. Chen, T., Song, C., Liu, Z., Wang, L., Hou, X., Lu, H., Zhang, Y. (2023). Current-carrying tribological properties of an elastic roll ring under different currents. Wear, 514-515, 204590. https://doi.org/10.1016/j.wear.2022.204590
  12. Holenko, K., Dykha, O., Koda, E., Kernytskyy, I., Horbay, O. et al. (2025). Peculiarities of Assessing Body Strength When Converting a Bus from Diesel to Electric Traction Following the UNECE R100 Regulation. Applied Sciences, 15 (14), 8115. https://doi.org/10.3390/app15148115
  13. Cao, Z., Li, R., Shou, M., Luo, R., Wei, B., Wang, T. (2024). Mechanical properties and tribological behaviors of Ag/graphene composite coating under sliding friction and current-carrying fretting. Tribology International, 197, 109811. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.109811
  14. Li, S., Yang, X., Kang, Y., Li, Z., Li, H. (2022). Progress on Current-Carry Friction and Wear: An Overview from Measurements to Mechanism. Coatings, 12 (9), 1345. https://doi.org/10.3390/coatings12091345
  15. Ogasawara, T., Ishida, Y., Kasai, T. (2009). Mechanical properties of carbon fiber/fullerene-dispersed epoxy composites. Composites Science and Technology, 69 (11-12), 2002–2007. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2009.05.003
  16. Kubo, S., Tsuchiya, H. (2005). Wear Properties of Metal-Impregnated Carbon Fiber-Reinforced Carbon Composite Sliding Against a Copper Plate Under an Electric Current. World Tribology Congress III, Volume 1, 85–86. https://doi.org/10.1115/wtc2005-63457
  17. Zhu, W., Miser, D. E., Geoffrey Chan, W., Hajaligol, M. R. (2004). Characterization of combustion fullerene soot, C60, and mixed fullerene. Carbon, 42 (8-9), 1463–1471. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2004.01.076
  18. Bucca, G., Collina, A. (2009). A procedure for the wear prediction of collector strip and contact wire in pantograph–catenary system. Wear, 266 (1-2), 46–59. https://doi.org/10.1016/j.wear.2008.05.006
  19. P., A. K., V., V. N., Joshi, G., Mehta, K. P. (2021). Fabrication and applications of fullerene-based metal nanocomposites: A review. Journal of Materials Research, 36 (1), 114–128. https://doi.org/10.1557/s43578-020-00094-1
  20. Zhao, H., Barber, G. C., Liu, J. (2001). Friction and wear in high speed sliding with and without electrical current. Wear, 249 (5-6), 409–414. https://doi.org/10.1016/s0043-1648(01)00545-2
  21. Fals, A. E., Hadjiev, V. G., Robles Hernández, F. C. (2012). Multi-functional fullerene soot/alumina composites with improved toughness and electrical conductivity. Materials Science and Engineering: A, 558, 13–20. https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.07.027
  22. Dub, S. N., Haftaoglu, C., Kindrachuk, V. M. (2021). Estimate of theoretical shear strength of C60 single crystal by nanoindentation. Journal of Materials Science, 56 (18), 10905–10914. https://doi.org/10.1007/s10853-021-05991-2
  23. Holenko, K., Dykha, A., Dytyniuk, V., Dykha, M., Horbay, O. (2025). Simulation of the Shaft Surface Strengthening as a Result of Discrete Electro-Mechanical Processing. Advanced Manufacturing Processes VI, 525–534. https://doi.org/10.1007/978-3-031-82746-4_46
  24. Dykha, A. V., Zaspa, Yu. P., Slashchuk, V. O. (2018). Triboacoustic Control of Fretting. Journal of Friction and Wear, 39 (2), 169–172. https://doi.org/10.3103/s1068366618020046
Прогнозування зносу та вибір матеріалів контактних вставок електротранспорту на основі енергетичної моделі методом скінчених елементів

##submission.downloads##

Опубліковано

2026-04-30

Як цитувати

Голенко, К. Е., Диха, О. В., Горбай, О. З., Ковтун, О. С., & Дитинюк, В. О. (2026). Прогнозування зносу та вибір матеріалів контактних вставок електротранспорту на основі енергетичної моделі методом скінчених елементів. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(7 (140), 44–61. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2026.354922

Номер

Том 2 № 7 (140) (2026): Прикладна механіка

Розділ

Прикладна механіка

Ліцензія

Авторське право (c) 2026 Kostiantyn Holenko, Oleksandr Dykha, Orest Horbay, Oleksii Kovtun, Volodymyr Dytyniuk

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.