CC BY
13
Новосельцев П.В., Купцов Ю.А. УДК 629.4.015
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГРУЗОВОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО СОСТАВА И ЛОКОМОТИВА НА ОСНОВЕ НАТУРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Целью настоящей работы является разработка и представление способа исследования параметров движения грузового железнодорожного состава и силового взаимодействия его элементов.
Этого можно достигнуть на основе изучения полученных экспериментальным способом величин абсолютного перемещения отдельных элементов подвижного состава (81; 82; 84 и т.д.) (Рис. 1).
1 4 5 6 : в
II пил кш. ¡¡¡и:
^1 ■
г п
с3 -II- с2 с,
0 О О 0 Г О ( ) О
»Е-Н»
Рис. 1. Схема состава с измеренными перемещениями
Измерить эти перемещения экспериментальным способом можно при помощи цифровых камер, закрепленных на неподвижных опорах и фиксирующих положение объекта через заданные промежутки времени. Разность положений объекта дает величину абсолютного перемещения (Рис. 2.).
Ниже представлены результаты натурного эксперимента, выполненного на станции Улан-Удэ в апреле 2007 года, и сделан анализ его результатов. Целью этих экспериментов было изучение взаимодействия локомотива и грузового состава. Запись процесса движения производилась при помощи двух цифровых камер, закрепленных на неподвижных опорах; одна, через заданный интервал времени, фиксировала положение локомотива, а другая - положение первого вагона.
Рис.2. Снимки процесса трогания с места грузового состава
Масса железнодорожного состава, ведомого электровозом ВЛ-80, была равна 4370 тонн. Тро-гание с места осуществлялось на горизонтальном участке пути, температура наружного воздуха +80 С. Железнодорожный состав был предварительно растянут.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Обработка результатов производилась с использованием программы ЕХСЕЬ в следующей последовательности.
1. Считывались перемещения локомотива Sa и первого вагона SB и строились их графики (Рис. 3).
Рис. 5. Графики изменения скорости локомотива и первого вагона
7. Вычислялись средние ускорения локомотива ал и первого вагона ав в интервале времени А.
8. Строились графики ускорений локомоти-
Рис. 3. Графики перемещения локомотива 8л и пер- ва °л и первого вагона а (рис 6). вого вагона 8в
2. Вычислялась разность (8л - 8в) и строился ее график (рис. 3).
3. Вычислялись приращения перемещений локомотива АБл и первого вагона АБв за заданный промежуток времени А/ .
4. Вычислялись средние скорости локомотива Ул и первого вагона Ув в интервале времени А.
JW V у
о ю /ю * <\j' in го О \ / г- ' см" LO 4- 1Ю 1 Ю LO 1 (Q /\ wi in ■ ю f- in со in о) 't (сек) <0 Г-' 00
1 Г"—
(м/с2) 0,15
0.1
0,05
0
-0,05 -0,1
Рис. 6. Графики изменения ускорения локомотива ал и первого вагона ав
9. Вычислялась продольная реакция железнодорожного состава на локомотив в интервале времени А/ и строился ее график (рис. 7):
(Fk - Fc ) - mлал = R
(1)
Рис. 4. График изменения разности перемещений локомотива и первого вагона
5. Строились графики изменения скорости локомотива и первого вагона (рис. 5).
6. Вычислялись приращения скоростей локомотива АУЛ и первого вагона АУв за заданный
промежуток времени А/.
где Ек - касательная сила тяги; Ес - сила сопротивления движению локомотива; Я - реакция состава на локомотив кН; тл - масса локомотива; ал - ускорение локомотива м/с2.
10. Сравнивалось изменение кинетической энергии локомотива:
U = 2 mл (Гл22 - V/) с суммой работ внешних сил:
А, = (FK - Fc)-AS л - R-AS л.
(2) (3)
МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИИ
40
-60
-100 -120
Д Л Л ^ / V /V
<п 11^-1 V 1 1 1 ......... V 4, <■„ <н гл «1 д <н гь 11сек)
ч' л' Ч- " V- Ъ- <о- V
а т? Ч1? Ч' А Ч' '(сек)
Рис. 7. Графики изменения продольной реакции состава на локомотив Я
11. Для оценки работы автосцепного устройства при трогании с места вычислялась разность между кинетической энергией и суммой работ внешних сил и — А и строился ее график (рис. 8).
В случае, если изменение кинетической энергии больше суммы работ внешних сил и — А > 0, можно предположить, что высвобождается энергия упругой деформации и расходуется на ускорение движения железнодорожного состава.
В случае если изменение кинетической энергии меньше суммы работ внешних сил и — А < 0, можно предположить, что работа внешних сил затрачивается на преодоление сухого трения в автосцепных устройствах. и-А (кДж).
20 0
Рис. 8. График изменения разности между кинетической энергией и суммой работ внешних сил
и — А
13. Устанавливался момент времени, когда приходит в движение весь состав. Это возможно, например, при ускорении вагона а = 0. В этом случае реакция локомотива на состав:
Я = Хшв ■ g ■ w. (4)
14. Определялся суммарный удельный коэффициент сопротивления:
Я
w = ■
(5)
Х/Пв ■ g
Результаты вычислений помещены в таблицу 1.
Анализируя результаты натурных экспериментов, представленные в таблице 1, можно сделать следующие выводы:
1. При трогании с места, расстояние между локомотивом и первым вагоном, изменяется по закону, приближающемуся к гармоническому (рис. 4). Период колебаний этого процесса изменяется от Т = 2,5 сек. до Т = 4 сек., а круговая час-2п
тота 0 = изменяется в пределах от 2,5 до 1,5
с-1. Если принять, что квадрат частоты продольных колебаний железнодорожного состава -
С
02 =■
ш„
где С - жесткость автосцепного устройства между локомотивом и первым вагоном; то С = 02шл . Подставляя 0 = 1,5 ^ 2,5сек_1, получим, что же-
сткость изменяется в пределах
С = 414 ^ 1150
кН
м
2. Усилие в автосцепке изменяется по закону, близкому к гармоническому (рис. 7). Период этих колебаний около 2,5 сек. Изменение усилия отличается от закона изменения расстояния между локомотивом и первым вагоном по фазе на угол:
0,5 2 0 4
(р =--2п = 0,4 ■п.
2,5 '
Из рисунка 4 видно, что в интервале времени от ^ = 2,5 секунд до ^ = 3,5 секунд зависимость - ^в линейна. На этом основании можно принять ориентировочно: Я ~ С ■ (£л — 8в) . При изменении (Sл - ) в пределах от 0,02 до 0,09 сила Я
изменяется от 20 кН до 63 кН. Тогда жесткость автосцепного устройства равна:
С = 63—20 = 614 КН
0,07 м
и находится в ранее определенных пределах от кН
440 до 1150- .
м
Таблица 1
Данные эксперимента
Время Перемещение Локомотива Перемещение вагона Разница перемещений Скорость локомотива, Скорость вагона Ускорение локомотива Ускорение вагона Реакция локомотива Разность энергии и работы,
1, 8л 8в 8л - 8в, Ул Ув ал ав Я и-А
(сек) (м) (м) (м) (м/с) (м/с) (м/с2) (м/с2) (кН) (кДж)
0 0 0 0 0,004 0 0 0 0 0
0,25 0,001 0 0,001 0,008 0,004 0,016 0,016 47,06 1,94
0,5 0,003 0,001 0,002 0,018 0,004 0,04 0 42,64 0
0,75 0,0075 0,002 0,0055 0,028 0,004 0,04 0 42,64 -3,14
1 0,0145 0,003 0,0115 0,028 0,008 -5,6Е-17 0,016 50 3,27
1,25 0,0215 0,005 0,0165 0,016 0,016 -0,048 0,032 58,83 -1,08
1,5 0,0255 0,009 0,0165 0,026 0,024 0,04 0,032 42,6 -2,58
1,75 0,032 0,015 0,017 0,022 0,028 -0,016 0,016 52,94 1,06
2 0,0375 0,022 0,0155 0,03 0,02 0,032 -0,032 44,11 14
2,25 0,045 0,027 0,018 0,056 0,024 0,104 0,016 30,86 -3
2,5 0,059 0,033 0,026 0,08 0,028 0,096 0,016 32,34 -2
2,75 0,079 0,04 0,039 0,096 0,032 0,064 0,016 38,22 17
3 0,103 0,048 0,055 0,128 0,068 0,128 0,144 26,45 -137
3,25 0,135 0,065 0,07 0,14 0,08 0,048 0,048 33,81 -130
3,5 0,17 0,085 0,085 0,132 0,12 -0,032 0,16 55,89 -7
3,75 0,203 0,115 0,088 0,12 0,136 -0,048 0,064 58,32 -10,6
4 0,233 0,149 0,084 0,116 0,136 -0,016 2,22Е-16 52,94 -11
4,25 0,262 0,183 0,079 0,096 0,14 -0,08 0,016 64,72 -9
4,5 0,286 0,218 0,068 0,1 0,112 0,016 -0,112 47,06 0,1
4,75 0,311 0,246 0,065 0,104 0,112 0,016 4,44Е-16 47,06 9
5 0,337 0,274 0,063 0,116 0,108 0,048 -0,016 35,28 -8
5,25 0,366 0,301 0,065 0,124 0,108 0,032 8,88Е-16 44,11 7
5,5 0,397 0,328 0,069 0,136 0,128 0,048 0,08 47,06 6
5,75 0,431 0,36 0,071 0,152 0,124 0,064 -0,016 38,22 0
6 0,469 0,391 0,078 0,168 0,156 0,064 0,128 38,22 -2
6,25 0,511 0,43 0,081 0,18 0,152 0,048 -0,016 41,17 31
6,5 0,556 0,468 0,088 0,188 0,184 0,032 0,128 45,58 33
6,75 0,603 0,514 0,089 0,196 0,188 0,032 0,016 47,06 6
7 0,652 0,561 0,091 0,208 0,208 0,048 0,08 38,22 -6
7,25 0,704 0,613 0,091 0,208 0,212 1,78Е-15 0,016 50 0
7,5 0,756 0,666 0,09 0,208 0,216 0 0,016 50 0
7,75 0,808 0,72 0,088 0,208 0,22 -1,8Е-15 0,016 50 39
8 0,86 0,775 0,085 0,216 0,224 0,032 0,016 45,58 38
8,25 0,914 0,831 0,083 0,224 0,228 0,032 0,016 50 6
8,5 0,97 0,888 0,082 0,232 0,24 0,032 0,048 38,22 -5
8,75 1,028 0,948 0,08 0,24 0,24 0,032 1,78Е-15 44,11 1
9 1,088 1,008 0,08 0,252 0,256 0,048 0,064 41,17 -2
МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИИ
Таким образом, можно говорить о некоторой условной приведенной жесткости автосцепного устройства, зависящей от скорости нагружения: она уменьшается с уменьшением скорости нагру-жения. В момент времени ^ = 7,5 сек. ускорение первого вагона равно нулю, усилие в автосцепке стабилизировалось, поэтому можно предположить, что практически весь состав пришел в движение. Принимаем для этого момента:
Я = Хшв ■ g ■ w,
где Я - усилие в автосцепке, изменяется в пределах 20-70 кН; w - полное удельное усредненное сопротивление всех вагонов; ^шв - суммарная масса всех вагонов.
Если принять Я = 50 кН;
3 Я Хш = 4370 -103кг, то w =-= 0,0012.
Хшв ■ g
Предлагаемый метод не требует больших затрат, прост и легко может быть выполнен силами работников локомотивного депо. Результаты этих экспериментов в виде таблиц и графиков можно использовать при инструктаже и обучении маши-
нистов, в частности при уточнении требуемой степени сжатия состава, выборе режима ведения поезда. Считаем, что эту методику можно рекомендовать для применения на предприятиях локомотивного хозяйства.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Галиев И. И., Нехаев В. А. Метод расчета динамических сил в поезде // Исследование процессов взаимодействия объектов железнодорожного транспорта с окружающей средой / Омск. гос. акад. путей сообщ. Омск, 1995. С. 19-29.
2. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М. : Транспорт, 1985. 287 с.
3. Новосельцев П. В. Разработка тягового транспортного средства для маневровых работ на малодеятельных станциях : специальность 05.22.07 : дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук к.т.н. Омск, 2006. 138 с. 61:06-5/2742.
Рябов И.М., Воробьев В.В., Упырь Р.Ю., Логунов А.С., Насников Д.Н.
УДК 629.027
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АМОРТИЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Разработка новых подходов в построении виброзащитных систем часто основана на введении в структуру механических колебательных систем дополнительных связей [1,2]. По-существу, предполагается возможность расширения элементной базы систем, когда к традиционным звеньям в виде в виде пружин и демпферов вязкого трения добавляются звенья, обеспечивающие двойное дифференцирование, одинарное и двойное интегрирование, чистое запаздывание. Общим свойством элементов расширенного набора является то обстоятельство, что входом для всех звеньев является смещение, а выходом - соответствующее усилие. В этом плане все типовые элемен-
ты расширенного набора [1] являются своеобразными пружинами, что позволяет использовать правила последовательных и параллельных соединений элементов для построения более сложных структур.
В работе [3] представлены некоторые результаты экспериментальной обработки предлагаемых конструктивных решений. Настоящая работа является продолжением упомянутых работ и раскрывает особенности методических позиций, важные для понимания изучаемых физических процессов. На рис. 1 представлена схема инерционно-фрикционного амортизатора с устройством преобразования движения [3], а также варианты
