2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ................................................ 5
ВВЕДЕНИЕ............................................................ 6
1. СОСТОЯНИЕ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ И АГРЕГАТОВ СИСТЕМЫ РЕССОРНОГО ПОДВЕШИВАНИЯ С ФРИКЦИОННЫМИ ГАСИТЕЛЯМИ КОЛЕБАНИЙ ТЕЛЕЖЕК ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ ПРИ ПОРОЖНЕМ И ЗАГРУЖЕННОМ ПРОБЕГЕ................................. 12
1.1. Виды и взаимосвязь колебаний подвижного состава............. 12
1.2. Анализ амплитудно-частотного спектра динамических воздействий при железнодорожных перевозках...................... 16
1.3. Анализ состояния исследований динамики рельсовых экипажей... 23
1.3.1 Общие сведения.......................................... 23
1.3.2 Краткий обзор исследований в области динамики сложных механических систем....................................... 26
1.4. Тенденции развития и перспективы совершенствования объемных
и качественных показателей грузового вагонного хозяйства РФ 39
1.5. Определение цели и постановка задач исследования............ 42
2. КОНСТРУКТИВНЫЙ ПОИСК И АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТЕЛЕЖЕК МОДЕЛИ 18-100 С КЛИНОВЫМ ГАСИТЕЛЕМ КОЛЕБАНИЙ ПРИ ВАРЬИРОВАНИИ МАССЫ ГРУЗОВОГО ВАГОНА......................................... 44
2.1. Модели транспортных машин и агрегатов....................... 46
2.1.1. Общие сведения о модульной классификации динамических моделей транспортных машин и агрегатов............... 46
2.1.2. Компьютерное моделирование динамики рельс, экипажей .. 50
2.2. Конструктивные особенности тележки 18-100 грузовых вагонов и перспективы создания на ее основе тележек нового поколения 62
3
2.3. Клиновой гаситель колебаний: конструктивное исполнение, расчет и известные направления совершенствования динамического качества серийной конструкции................................. 69
2.4. Конструкция и расчет усовершенствованной конструкции клинового гасителя колебаний (его вариантов)................. 73
2.4.1 Конструктивное исполнение вариантов усовершенствованного клинового гасителя колебаний тележки модели 18-100 82
2.4.2 Расчет усовершенствованной конструкции клинового гасителя колебаний............................................ 92
2.4.2.1. Определение коэффициента относительного трения
клинового гасителя колебаний................... 92
2.5. Моделирование работы кинематической связки «клиновой гаситель колебаний тележки-вагон» при варьировании параметров нагружения...................................................... 98
2.6. Выводы................................................... 107
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СИСТЕМЫ «ПРУЖИННЫЙ КОМПЛЕКТ ТЕЛЕЖКИ МОДЕЛИ 18-100 С КЛИНОВЫМ ГАСИТЕЛЕМ КОЛЕБАНИЙ-ГРУЗОВОЙ ВАГОН» ПРИ ВАРЬИРОВАНИИ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ И МАССЫ ЗАГРУЗКИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА......................................................... 109
3.1. Учет сил трения на поверхностях фрикционного клина в математических моделях колебаний вагона........................... 109
3.2. Моделирование работы системы «пружинный комплект тележки 18-100 с клиновым гасителем колебаний - грузовой вагон» с учетом амплитудно-частотного спектра транспортных нагрузок и массы загрузки железнодорожного вагона...................... 112
3.3. Выводы................................................... 133
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СЕРИЙНОЙ И УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ КОНСТРУКЦИЙ КЛИНОВОГО ГАСИТЕЛЯ КОЛЕБАНИЙ ТЕЛЕЖКИ МОДЕЛИ
18-100 ПРИ ВИБРО-, УДАРОНАГРУЖЕНИИ....................... 134
4.1. Оценка работоспособности имитатора гасителя колебаний в режиме работы с односторонним клином (серийная конструкция) 136
4.2. Оценка работоспособности имитатора гасителя колебаний в режиме двухстороннего клина (усовершенствованная конструкция).. 139
4.3. Выводы.............................................. 140
5. КОНСТРУКТОРСКО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СМЕЩЕНИЯ НАДРЕССОРНОЙ
БАЛКИ И БОКОВИН ТЕЛЕЖКИ МОДЕЛИ 18-100.................... 142
5.1 Общие рекомендации по проектированию фрикционного гасителя колебаний с рациональными выходными параметрами 142
5.2. Диагностические системы и устройства оценки работоспособности динамически нагруженных звеньев транспортной техники.... 145
5.3. Конструкторско-технологические основы диагностирования статических параметров элементов и узлов тележки 18-100 с клиновым гасителем колебаний для выбраковки неисправных вагонов 150
5.4. Выводы..................................................... 152
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................ 153
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................. 155
ПРИЛОЖЕНИЕ П. 1.Выборочные сведения о сходе вагонов грузовых поездов по техническим неисправностям, сопряженным с работоспособностью клинового гасителя колебаний 162
ПРИЛОЖЕНИЕ П.2.Конструкторско-технологические аспекты совершенствования технологической оснастки демонтажа пружинного комплекта тележки модели 18-100...........................167
ПРИЛОЖЕНИЕ П.З.Акт внедрения результатов работы в СамГАПС 173
ПРИЛОЖЕНИЕ П.4.Акт внедрения результатов работы на Кбш. ж.д 174
5
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
СамГАПС - Самарская государственная академия путей сообщения ОмГУПС - Омский государственный университет путей сообщения МИИТ - Московский институт инженеров транспорта (государственный университет)
ДИИТ-Дальневосточный институт инженеров железнодорожного транспорта УрГУПС - Уральский государственный университет путей сообщения ВНИИЖТ - Всероссийский научно - исследовательский институт инженеров железнодорожного транспорта БГТУ - Брянский государственный технический университет ГУП - Главное управление АСУ - автоматизированная система управления САПР - система автоматизированного проектирования САИ - система автоматической идентификации подвижного состава САВ - система автоматизированных выкладок СФД - система функционального диагноза ППП - пакет прикладных программ УМ - программный комплекс «Универсальный механизм»
ТЗ - техническое задание
ДСТ - демпфер сухого трения
УДЭ - упругодемпфирующий элемент
ГПТА - гидропневмотопливный агрегат
МУКС - малогабаритное устройство контроля состояния тележки
РЭ - рельсовый экипаж
РМВ - резинометаллический вибратор
ПЭ - пневмоэлемент
ЖОР - жесткое опирание дизель - генератора на раму АЛИСП - автоматизированная линия измерения и сортировки пружин рессорного комплекта тележек грузовых вагонов ГЗУ - грузозахватывающее устройство
6
ВВЕДЕНИЕ
Практика эксплуатации и многолетние комплексные испытания грузовых вагонов с тележками модели 18-100 выявили ряд серьезных недостатков одного из основных его звеньев - фрикционного клинового гасителя колебаний. Вследствие больших износов клинового фрикционного гасителя колебаний коэффициент относительного трения становится равным нулю. У таких вагонов в порожнем состоянии при резонансе возможно полное обезгружи-вание рессорного подвешивания, о чем свидетельствуют известные публикации о следах потертостей на витках пружин рессорных комплектов, обусловленные проворотом их относительно вертикальной оси и касанием друг о друга. Одновременно установлено, что продольное перемещение надрессор-ной балки относительно боковой рамы составляет 10 мм, что указывает на недостаточную связанность элементов тележки /11/. При завышении клиньев относительно опорной поверхности надрессорной балки свыше 5 мм возникает опасность схода вагонов с рельсов. Поэтому стабилизация выходных параметров клинового гасителя колебаний при варьировании массы загрузки железнодорожного вагона является весьма актуальной темой исследования.
Актуальность темы диссертационной работы подтверждается ее соответствием ряду научно-технических отраслевых программ: «Государственная программа по повышению безопасности движения поездов на железнодорожном транспорте России на период 1993-2000 г.г.» (Постановление Правительства РФ от 29.10.92 №833), «Программы создания нового поколения грузового подвижного состава на 2000- 2005 годы».
Цель работы: Стабилизация параметров колебаний тележек при пробеге железнодорожных вагонов путем применения клинового гасителя.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту:
- разработана математическая модель фрикционного гасителя колебаний с двухсторонним клином, включающая соотношения для определения сил трения в нелинейной постановке и уравнение колебаний системы «клиновой гаситель - грузовой вагон», позволяющая определить амплитудно-частотные характеристики системы при различных видах нагружения;
- выявлены на основании теоретических исследований с использованием
7
разработанной математической модели и программного обеспечения области рационального изменения параметров динамической системы «тележка - вагон» с учетом относительного движения элементов при варьировании амплитудно-частотного спектра транспортных нагрузок и скорости движения вагона;
- предложена методика расчета и коррекции необходимых технологических и конструктивных параметров создаваемых клиновых гасителей колебаний с двухсторонним клином на базе различных механизмов перераспределения усилия пакетов пружин в зависимости от степени загруженности тележки грузового вагона, что благоприятно сказывается на ресурсе (степени износа) фрикционной пары «клин - фрикционная планка»;
- разработана научно-обоснованная методика расчета и конструирования механизмов перераспределения усилий пакетного блока пружин с регулируемой жесткостью клинового гасителя колебаний при переходе с порожнего движения вагонов на движение с загрузкой.
Методы решения. При проведении исследований в работе использован комплексный подход, включающий теоретический анализ и экспериментальное апробирование предложенных технических решений. При моделировании колебаний тележки был использован численно - аналитический метод решения системы дифференциальных уравнений движения. Экспериментальные исследования были проведены с использованием специально разработанного имитатора с клиновым гасителем колебаний, оснащенного компьютерной информационноизмерительной системой с использованием датчиков Вгие! & К]аг. Обработка результатов эксперимента проводилась с использованием математикостатистических методов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением методик планирования эксперимента и обработки полученных данных поверенного оборудования и контрольно-измерительных приборов. Достигается обоснованным использованием теоретических зависимостей, корректностью постановки задач математического моделирования, применением современных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями.
8
Практическая ценность:
1. Проведенное автором классификационное обобщение известных и разработанных при непосредственном его участии конструкций клиновых демпферов сухого трения (ДСТ) с последующим представлением их на базе иерархического подхода в виде единой табличной классификационной схемы с указанием конкретных источников информации по их исполнению обеспечивает:
- качественное ознакомление с результатами систематизации известных и авторских разработок ДСТ, примерами их конструктивного исполнения и принятие рационального решения по выбору конструктивной схемы разрабатываемого демпфера с соответствующим снижением финансовых и временных затрат на его проектирование, доводку выходных параметров и эксплуатацию;
- выявление динамически «слабых» (испытывающих сверхнормативные нагрузки) звеньев в конструкции демпферов и создание новых методов и средств демпфирования транспортных средств и объектов транспортировки с более низким порогом динамического нагружения, идущим в запас прочности конструкции.
2. Разработана и успешно экспериментально апробирована конструкция имитатора клинового гасителя колебаний, работоспособного в режиме как одностороннего, так и двухстороннего клина, позволяющего за счет варьирования масштабного фактора проводить экспериментальные исследования разногабаритных клиново - фрикционных сопряжений широкого класса гасителей колебаний.
3. Предложены новые структурные схемы и технические решения оригинальных конструкций клиновых фрикционных гасителей на базе пакета пружин с регулируемой жесткостью при переходе с порожнего движения вагона на движение с загрузкой на базе комбинированного механизма перераспределения усилия пакета пружин при смене усилия нагружения.
4. Создан макет оригинального малогабаритного переносного устройства диагностирования связи надрессорной балки с боковой рамой тележки модели 18-100 для выбраковки неисправных вагонов с целью предотвращения схода.
Реализация результатов работы.
Полученные в диссертационной работе результаты аналитических и экс-
9
периментальных исследований образцов клинового фрикционного гасителя колебаний тележки вагона используются при расчете в вагонном депо станции Самара Куйбышевской железной дороги - филиале ОАО «РЖД» прогнозируемого срока службы гасителя при эксплуатационном износе фрикционных планок. Разработанная автором методика расчета двухстороннего клина передана на кафедры «Механика» и «Вагоны» СамГАПС и используется при изучении дисциплин «Теоретическая механика», «Основы триботехники узлов подвижного состава», «Подвижной состав и тяга поездов».
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на заседаниях международной конференции «Безопасность и логистика транспортных систем» (Самара, 2004); XI Российской научной конференции (Самара, 2004); 2-й международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (Самара, 2005); расширенном научно-техническом совете кафедр «Механика» и «Железнодорожные станции и узлы» (Самара, 2006); научном семинаре кафедры «Динамика, прочность машин» (Орел, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных трудов, включающих: 1 монографию, 5 статей в научных изданиях, тезисы 2 докладов на научно-технических конференциях, 1 свидетельство о регистрации интеллектуального продукта.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 65 наименований, 2 приложений, содержит 55 рисунков, 7 таблиц.
В первой главе на основе критического анализа российских и зарубежных источников охарактеризовано состояние исследований по обеспечению эксплуатационной надежности тележек модели 18-100 при порожнем и загруженном пробеге вагонов. В анализе четко изложены виды и взаимосвязь колебаний подвижного состава, амплитудно-частотный спектр динамических воздействий при железнодорожных перевозках и дан краткий обзор результатов исследований в области динамики сложных механических систем. В результате анализа состояния, способов и средств обеспечения надежности тележек модели 18-100 уточнена цель работы, сформированы задачи исследования.
10
Во второй главе приведены результаты конструктивного поиска и аналитического исследования работоспособности тележек модели 18-100 при варьировании массы грузового вагона. Представлено конструктивное исполнение и этапы совершенствования серийного клинового гасителя колебаний. Проблема доведения его серийной конструкции до технического уровня, удовлетворяющего практические нужды железной дороги, далека до завершения. В связи с этим автором была принята попытка создания классификационных структур динамических моделей транспортных машин и механизмов, включая классификацию нелинейных систем и механизмов переменной структуры с представлением динамических моделей как сочетание модулей различного типа. Это обеспечивает корректную разработку компьютерных программ для комплексной оценки транспортных машин и механизмов, а, следовательно, автоматизацию самого процесса расчета.
В третьей главе приведены результаты моделирования динамики системы «пружинный комплект тележки 18-100 с клиновым гасителем колебаний -грузовой вагон» с учетом амплитудно-частотного спектра транспортных нагрузок, массы загрузки и скорости движения вагона. В ходе вычислительного эксперимента с использованием пакета Microsoft Office 2000 выявлены рациональные (с точки зрения демпфирующих свойств) сочетания геометрических и силовых параметров клинового гасителя колебаний при изменении скорости движения и массы загрузки вагона.
В четвертой главе охарактеризованы результаты экспериментального сопровождения выполненных исследований влияния деконструктивных факторов на работоспособность клинового гасителя колебаний тележки модели 18-100 при транспортном нагружении.
В пятой главе охарактеризованы конструкторско - технологические аспекты диагностирования параметров смещения надрессорной балки и боковин тележки модели 18-100 при фактическом износе фрикционных планок клинового гасителя. Отмечено, что в настоящее время имеется ряд методов технической диагностики объектов.
II
Заключение, отражающее наиболее значимые результаты, полученные в процессе исследований, показывает выявленные закономерности и особенности работы объектов исследования.
В приложениях П.1 и П.2 представлены выборочные сведения по причинам схода вагонов грузовых поездов по техническим неисправностям гасителя колебаний и практические рекомендации по совершенствованию технологического процесса демонтажа пружинного комплекта тележки модели 18-100 в вагонном хозяйстве.
Работа выполнялась в ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет» и ГОУ ВПО «Самарская государственная академия путей сообщения» на кафедре «Безопасность перевозок пассажиров и грузов» и в НИЛ «Динамическая прочность и виброзащита транспортных систем».
12
1. СОСТОЯНИЕ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ И АГРЕГАТОВ СИСТЕМЫ РЕССОРНОГО ПОДВЕШИВАНИЯ С ФРИКЦИОННЫМИ ГАСИТЕЛЯМИ КОЛЕБАНИЙ ТЕЛЕЖЕК ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ ПРИ ПОРОЖНЕМ И ЗАГРУЖЕННОМ ПРОБЕГЕ
1.1. Виды и взаимосвязь колебаний подвижного состава
При изучении колебаний подвижного состава в неподвижной системе координат за ось X принимают направление прямолинейного железнодорожного пути в сторону движения экипажа, ось У - в плоскости пути перпендикулярной оси X, а ось I - перпендикулярна к оси Хи У (рисунок 1.1).
Если за начало подвижной системы координат принять какую-нибудь точку, лежащую в плоскости ХУ и принадлежащую системе экипажа, то положение экипажа будет в каждый момент определяться координатами х, у и 2 этой точки относительно принятой неподвижной
системы координат, а также углами по-
Рисунок 1.1 - Система координат ~
' г ворота (рх, <ру и (рг. Различают верти-
железнодорожного пути ^
г кальные колебания на рессорном под-
вешивании надрессорного строения в направлении оси 2 (подпрыгивание), а также продольные колебания (галопирование), определяемые углом поворота \Ру надрессорного строения вокруг поперечной оси У.
Периодически повторяющиеся неровности пути или изменения его жесткости в вертикальном направлении, как, например, правильно чередующиеся рельсовые стыки, вызывают вынужденные колебания подпрыгивания и галопирования. Оба эти вида колебания, вызванные одной и той же причиной, имеют одинаковые частоты /27/.
13
Колебания в направлении оси X возникают при меняющейся продольной силе тяги или торможении при наличии упругой связи между единицами подвижного состава (колебания подергивания). При несовпадении по высоте продольных возмущающих сил с центром тяжести надрессорного строения эти силы вызывают не только колебания подергивания, но и галопирование.
Таким образом, все три вида рассмотренных колебаний (подергивание, подпрыгивание и галопирование) связаны между собой.
В горизонтальной плоскости различают колебания виляния экипажа, т.е. вращение его вокруг оси 2 на угол <рг. Одновременно с колебанием виляния происходит и колебание относа, т. е. поступательное перемещение всего экипажа в поперечном направлении по оси У от одной рельсовой нити к другой. Поэтому в действительности движение экипажа в горизонтальной плоскости может быть представлено как суммарное колебание, состоящее из виляния и относа. Эти колебания возникают главным образом при движении в прямых. В колебаниях виляния и относа участвует не только надрессорное строение, но и необрессоренные части. Указанные перемещения колесных пар в рельсовой колее вызывают появление упругих сил со стороны рельсового пути, стремящегося восстановить свое первоначальное положение. Эти колебания могут быть отнесены к разряду автоколебаний. В данном случае прямолинейное движение преобразуется в колебательное, накладываемое на основное прямолинейное, и необходимая энергия заимствуется из энергии, сообщающей экипажу прямолинейное движение.
Поперечные колебания надрессорного строения экипажа представляют собой вращение вокруг некоторой продольной оси на угол <рх за счет деформации рессорного подвешивания правой и левой стороны в противоположных направлениях.
Из-за инерции надрессорного строения, упруго связанного с необрес-соренными частями (колесными парами), периодическое перемещение последних в поперечном к оси пути направлении (колебание относа) вызывает
14
поперечную качку. Таким образом, три вида колебаний (относ, виляние и поперечная качка) функционально связаны между собой.
Подвижной состав, обращающийся на Российских железных дорогах, обладает симметрией в продольной вертикальной и горизонтальной плоскостях, поэтому часто колебательные процессы относят к различным плоскостям симметрии, считая их не связанными друг с другом. Во многих случаях колебания подпрыгивания и галопирования узлов экипажа, которые относятся к продольной вертикальной плоскости симметрии, рассматривают отдельно от колебаний виляния, относящихся к продольной горизонтальной плоскости.
Профессором Т.А.Тибиловым показано, что поскольку центр тяжести
кузова располагается выше точек подвешивания (рисунок 1.2), то кузов экипажа может вести себя как обращенный маятник на подвижной опоре. Вследствие этого, из-за наличия нелинейных связей между обобщенными координатами в некоторых случаях обычные вынужденные колебания кузова экипажа, возбуждаемые внешними силами, могут оказаться неустойчивыми - при вполне определенной скорости движения развиваются его параметрические колебания подпрыгивания и боковой качки, что может вызвать обезгрузку колес и вкатывание гребня на рельс.
Из результатов проведенных в ОмГУПС исследований /38,44/:
1. Следует вывод, что существует область критических отношений собственных частот системы, когда связанность колебаний подпрыгивания и боковой качки, зависящая от амплитуды вертикальной неровности пути, значительно увеличивается. При этом, с увеличением амплитуды горизонтальной неровности растет и влияние нелинейной инерционности экипажа на амплитуду установившихся колебаний подпрыгивания и наблюдается перекачка энергии из вертикальной плоскости колебаний в горизонтальную.
Рисунок 1.2 - Расчетная схема подвешивания экипажа
15
2. Установлено, что раздельное исследование вынужденных колебаний подпрыгивания и боковой качки экипажа занижает оценку амплитуды подпрыгивания на 21 %, а амплитуды боковой качки - на 22 %. Это может иметь решающее значение при оценке безопасности движения экипажей, особенно порожних полувагонов, имеющих отступления от норм их содержания и ремонта.
3. Недостаточная связанность элементов тележки в плане, значительные разбросы базовых размеров боковых рам и буксовых проемов, а также имеющаяся разность диаметров колес, приводящие к перекосу колесных пар, являются причиной возникновения интенсивных колебаний виляния и боковой качки вагона и всех вытекающих отсюда проблем:
- разгрузка рессорных комплектов (следовательно, и колес) и, в результате, создание высокой вероятности схода колеса с рельса;
- снижение вследствие этого момента сил сцепления колес с рельсами, что ухудшает нормальное функционирование тормозного оборудования и тем самым создает предпосылки для образования ползунов (особенно часто это встречается в порожних составах повышенной длины);
- интенсивный износ и, как следствие этого, завышение фрикционных клиньев, снижающее уровень диссипативных сил (профессором Г.И. Петровым установлено, что опасность схода вагонов с рельсов возникает при завышении клиньев относительно опорной поверхности балки свыше 5 мм);
- увеличенный износ и подрез гребней бандажей колесных пар, их прокат и большие затраты на обточку, поэтому более половины колесных пар вагонов имеют износ, близкий к предельному;
- износы пятникового узла и опорных поверхностей буксовых проемов рам, приводящие к значительным затратам на их ремонт;
- появление трещин в надрессорной балке и в наружных углах буксовых проемов боковых рам, создающих угрозу безопасности движения поездов.
Интенсивные боковые колебания железнодорожных экипажей вызывают повышенное сопротивление движению и, следовательно, дополнитель-
- Київ+380960830922