CC BY
32Исследование влияния динамических свойств кожуха редуктора на его крепления к тяговому двигателю электровоза
О)
о
см
О!
О Ш
т
X
<
т о х
X
Павленко Владислав Алексеевич,
аспирант, кафедра «Электропоезда и локомотивы», Российский Университет Транспорта (МИИТ), vlad755609@yandex.ru
Рыбников Евгений Константинович
кандидат технических наук, профессор, кафедра «Электропоезда и локомотивы», Российский Университет Транспорта (МИИТ)
При эксплуатации электровозов ВЛ80 в зимний период наблюдается массовая потеря болтов кожуха зубчатой передачи, что существенно угрожает безопасному движению. В настоящей работе исследовались причины ослабления креплений кожуха редуктора тягового двигателя электровоза при помощи АЧХ. Смоделирован наезд тягового привода на стык между рельсами со скоростью 70 км/ч. Для конечно-элементного моделирования использовался пакет MSC.Patran-Nastran. Определялись АЧХ ускорений в поперечном направлении в креплениях кожуха к тяговому двигателю. По аЧх определялись доминирующие формы колебаний данном силовом воздействии. Для этого дополнительно проведен модальный анализ.
Выяснилось следующее. Конструкция склонна к крутильным и изгибным колебаниям, а также к локальным колебаниям стенок. Возможным решением будет применение ребер жесткости на стенках кожуха. Кроме того, основная часть форм колебаний сосредоточена около частоты 800Гц. Подобрав жесткость креплений, можно будет отфильтровать часть возмущений, тем самым снизить ускорения кожуха и динамическое воздействие на болтовые соединения. Ключевые слова: кожух редуктора, тяговый двигатель, болтовое соединение, тяговый привод, разрушение болта, модальный анализ, колесо-рельс, динамическое воздействие, ребра жесткости, фильтр колебаний.
Тяговый привод — один из наиболее важных узлов механической части электроподвижного состава (ЭПС). Его элементы реализуют и передают силы, возникающие в месте контакта колеса и рельса, преобразуют вращательный момент тягового двигателя в поступательное движение. Поэтому вопрос надежности работы тягового привода является важным при эксплуатации ЭПС.
Кожух редуктора относится к элементам конструкции тягового привода, а следовательно, в эксплуатации он подвержен тем же воздействиям, что и весь тяговый привод. К этим воздействиям относятся: вибрация, возникающая вследствие работы узла зацепления шестерня-большое зубчатое колесо, а также под воздействием возмущений, воспринимаемых корпусом редуктора от остова тягового двигателя при движении по железнодорожному пути. Динамические нагрузки возникают в месте контакта колеса и рельса.
На отечественных электровозах ВЛ-80 применяется опорно-осевое подвешивание тяговых электродвигателей. При эксплуатации в зимний период по данному узлу наблюдается массовая потеря болтов кожуха зубчатой передачи [1]. Кроме того, к перечню случаев преждевременного выхода из строя можно добавить: разрушение сварных швов, возникновение усталостных трещин [2]. Также можно привести данные по неисправностям электровоза ВЛ-10, который имеет аналогичную ВЛ-80 экипажную часть. Из заходивших на ремонт в ТЧ-1 Московка за 2013 г. зафиксировано 129 случаев непланового ремонта механического оборудования электровоза ВЛ10, 42 случаев приходится на кожухи зубчатой передачи [3]. Эти отказы существенно угрожают безопасности движения поездов, так как возможны случаи падения болтов на стрелочные переводы.
Для выяснения причин ослабления соединений был смоделирован наезд на стык рельса колесно-моторного блока на скорости 70 км/ч. Длина стыка равна 2 см. Подобные стыки встре-
чаются на эксплуатационных участках железнодорожного пути Восточно - Сибирскои железной" дороги по маршруту: ст. Вихоревка - ст. Лена -ст. Северобаикальск - ст. Таксимо [4]. В качестве CAD системы использован пакет SolidWorks [5]. На рисунке 1 показан серийный кожух редуктора. На этом рисунке выделены поверхности креплений, контактирующие с крышкой остова и крышкой моторно-осевого подшипника. Замеры ускорений проводились в узлах, принадлежащих этим поверхностям.
у = A|sin 2nfi\ = h sinfit
Рисунок 1. CAD модель кожуха редуктора. 1 - верхняя бобышка; 2 - нижняя бобышка; 3 - передний кронштейн.
Особый интерес представляют ускорения вдоль поперечной оси, то есть вдоль осей болтовых соединений.
Для конечноэлементного моделирования (КЭМ) использован MSC.Patran, MSC.Nastran как линейный решатель. Задача решалась в линейной постановке [6, 7, 8]. На рисунке 2 показана КЭМ колесно-моторного блока (КМБ). Модель учитывает разъемное соединение между половинами.
Рисунок 2. Конечно-элементная модель КМБ.
Наезд на стык представлен в виде кинематического возбуждения, приложенного к бандажам в области пятна контакта с рельсом. Такое воздействие фактически является ударом, а значит возбуждает колебания конструкции в широкой полосе частот [9, 10, 11].
Следующие выражения описывают стык:
V-t. 1-3,6'
S sin(ïE-———)
sm siïï I il
7Q ■ t 0,02-3,6,
(1) (2)
(3)
(4)
|= -8 ■ 10~s|sm sm(3054 ■ t)
Были получены характеристики ускорений на кронштейнах крышки МОП и на креплении крышки остова. Полученные характеристики во временной области были переведены в частотную область при помощи быстрого преобразования Фурье для определения частотных составляющих в колебаниях. Для выполнения преобразования использован математический пакет МаШОАй [12].
Известно, что каждый максимум на графике АЧХ соответствует своей форме колебания. Поэтому, для определения форм колебаний дополнительно проделан модальный анализ.
При модальном анализе нет необходимости рассматривать результаты расчета всей модели тягового привода с колесной парой, тяговым двигателем, зубчатыми передачами. Это связано с таким явлением как локальные колебания. Так называемыми локальными колебаниями являются колебания деталей, сборок или отдельных частей механической системы при относительном покое всей конструкции. Локализация колебаний наблюдается во всех конструкциях и наиболее выражена в сложных составных конструкциях, таких как тяговый привод. Тяговый двигатель изготовлен при помощи литья, имеет толстые стенки, большую массу. Колесная пара, как важнейший элемент привода, выполнена с большим запасом прочности, так же имеет большую массу. Исключением являются кожухи. Они относительно малой массы, выполнены из тонких листов, имеют малое число креплений. Поэтому формы колебаний кожухов легко отделить от колебаний всей конструкции. Другими словами, некоторые из собственных форм колебаний всей конструкции можно рассматривать как колебания одного кожуха при покоящихся остальных частей системы [13, 14].
На рисунке 3 показаны ускорения нижней бобышки в поперечном направлении. На АЧХ поперечного ускорения нижней бобышки (рисунок 4) основной вклад делают частоты в диапазоне от 700 до 1000Гц. На частотах 738,36 Гц,
х
X
о
го А с.
X
го m
о
ю 4
M О
О)
о
CN
OI
О Ш
m х
<
m о х
X
761,62 Гц, 845,26 Гц присутствуют максимумы, которые в большей степени влияют на ускорение. В таблице 1 показаны формы колебаний, соответствующие этим максимумам. Из полей относительных перемещений для данных форм видно, что преобладают локальные колебания внешней стенки кожуха. При этом на более низких частотах возрастает доля крутильных и из-гибных колебаний кожуха.
Нижи** бобышка, поперечное направление
lili.. lili 1. 4,1
щ Pff (И *
ол № 5» ен и щ fi.li с и с:
Рисунок 3. Поперечные ускорения нижней бобышки.
мои цига, поперечное направление
К1 i
„-Vil ti _ А* •
ч 1бЮ
лин 1Ж м» ja»
Рисунок 4. АЧХпоперечного ускорения нижней бобышки. Таблица 1
Формы колебаний кожуха, соответствующие максимумам на АЧХ поперечного ускорения нижней бобышки._
Частота, Гц
738,36
761,62
845,26
Форма колебания
Рисунок 5. Поперечные ускорения верхней бобышки.
верхняя бобышка, поперечное направлена
Др
1;
L
зж м»
1Ж ЙОФ
частоте. Гц
Рисунок 6. АЧХ поперечного ускорения верхней бобышки. Таблица 2.
Формы колебаний кожуха, соответствующие максимумам на АЧХ поперечного ускорения верхней бобышки._
Частота, Гц
605,56
738,36
761,62
Форма колебания
На рисунке 5 показаны ускорения верхней бобышки в поперечном направлении. На АЧХ поперечного ускорения верхней бобышки (рисунок 6) основной вклад делают частоты в диа-
пазоне от 300 до 1100Гц. В данном диапазоне присутствует множество максимумов.
В таблице 2 показаны только 3 формы, которые в большей степени влияют на ускорение. Формы на частотах 738,36 Гц и 761,62 Гц те же, что и в таблице для нижней бобышки. Форме на частоте 605,56 Гц свойственны локальные колебания внешней стенки кожуха.На рисунке 7 показаны ускорения переднего кронштейна в поперечном направлении. На АЧХ поперечного ускорения переднего кронштейна основной вклад делают частоты в диапазоне от 200 до 1000Гц (рисунок 8).
Рисунок 7. Поперечные ускорения переднего кронштейна.
Передний ччнигтспч, гпинтсчное нагтравлгние
12» 1й№
ЛЗ» ШЛ
Чш - . -,,
Рисунок 8. АЧХпоперечного ускорения переднего крон-
В данном диапазоне присутствует множество максимумов. В таблице 3 показаны только 3 формы, которые в большей степени влияют на ускорение. Все указанные формы, так же, как и в предыдущих случаях, преимущественно характеризуются локальными колебаниями стенок.
Все показанные формы колебаний очень похожи, так как их частоты расположены рядом. Если говорить в целом, на всех формах преобладают локальные колебания внешней стенки, в меньшей степени внутренней. Так же присутствуют крутильные и изгибные колебания кожуха на всех частотах.
Также стоит отметить, что на всех АЧХ максимальная плотность форм колебаний достигается на частоте около 800 Гц.
Для снижения вибраций может быть использована пассивная виброизоляция. Виброизоляция эффективна в режиме работы за пределами резонанса. При частоте собственных колебании"
виброизолируемого объекта, в 4 раза меньшей частоты возбуждающих колебания сил, динамическая нагрузка на поддерживающую конструкцию уменьшается в 15 раз [15].
Таблица 3
Формы колебаний кожуха, соответствующие максимумам на АЧХ поперечного ускорения переднего кронштейна._
Частота, Гц
487,27
817,01
986,95
Форма колебания
Кожух имеет всего лишь 3 крепления, поэтому конструктивно можно уместить различные типы виброизоляторов. В качестве виброизоляторов для кожуха могут быть использованы винтовые пружины, гибкие скобы, резинометалли-ческие блоки, металлические конструкции, тор-сионы, пакеты пластин.
Из-за малого числа крепежей между половинами кожуха, конструкция склонна к крутильным колебаниям, а из-за тонкой внешней стенки к локальным колебаниям внешней стенки. Возможным решением будет увеличение жесткости за счет установки ребер на внешнюю стенку.
Из всех АЧХ видно, что основная часть форм колебаний сосредоточена около частоты 800Гц. Это означает, что кожух склонен воспринимать возмущения со стороны тягового двигателя именно на этих частотах. Подобрав крепления нужной жесткости можно будет отфильтровать часть возмущений, тем самым снизить ускорения кожуха и динамическое воздействие на болтовые соединения.
Литература
1. Володин С. В. Снижение виброактивности корпусов редукторов тяговой передачи электропоездов. Дис. ... канд. тех. наук. —М.: МИИТ, 1999.
х
X
о
го А с.
X
го т
о
ю 4
М О
О)
о
сч
OI
О Ш
m
X
<
m о х
X
2. Школьный М. И., Ахмедов Г. Г., Демченко И. П. Кожухи зубчатых передач // Проблемы и альтернативные конструкции. Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проект-но-конструкторского института электровозостроения. — 2017. — № 2 (76). — С. 43-51.
3. Дрягилев, А. Е. Анализ неисправностей механической части электровозов 2ЭС6 // Известия Транссиба. Изд. Омскии" государственный университет путей сообщения. — 2014. — No2. — С. 18 - 23.
4. Ходовые испытания электровоза 3ЭС5К-160 по определению уровней ускорении" букс и на кожухах тяговых передач в условиях эксплуатации. Протокол № Дп-05-2013. — Новочеркасск, 2013.
5. Руководство для учащихся по изучению программного обеспечения SolidWorks: учебное пособие. Concord, Massachusetts : Dassault Systèmes SolidWorks Corporation, 1995-2010. — 156 с.
6. Рыбников Е. К., Володин С. В., Соболев Р. Ю. Инженерные расчёты механических конструкции" в системе MSC.Patran-Nastran. Часть I. Учебное пособие - М.: МИИТ, 2003. - 130 с.
7. Рыбников Е. К., Володин С. В., Соболев Р. Ю. Инженерные расчёты механических конструкции" в системе MSC.Patran-Nastran. Часть II. Учебное пособие. - М.: МИИТ, 2003. - 174 с.
8. Еловенко Д. А., Ковыршин С. В. Создание сеток конечноэлементных моделей в Patran: учеб. пособие. — Иркутск: ИрГУПС, 2015. — 108 с.
9. ГОСТ ИСО 7626-5-99 - 2000. Вибрация и удар. Экспериментальное определение механической подвижности. Часть5. Измерения, использующие ударное возбуждение возбудителем, не прикрепляемым к конструкции. — М., 2000. — 16 с.
10. Пановко Я. Г. Основы прикладной теории упругих колебаний. — М.: Машиностроение, 1967. — 316 с.
11. Вибрации в технике. Справочник в 6-ти томах. Защита от вибрации и ударов / Под ред. К. В. Фролова. — Т. 6. — М.: Машиностроение, 1981. — 456 с.
12. Соколова, Е. В. MathCAD в технических и экономических расчетах: сборник задании". — Челябинск: Издательский" центр ЮУрГУ, 2012. — 80 с.
13. Денисов Г. В., Лалин В. В. О сплошном спектре колебании" балочных элементов конструкции при высокочастотных воздеиствиях // Инженерно-строительныи" журнал. — 2012. No1 (27). — С. 91-97.
14. Денисов Г. В., Лалин В. В. К вопросу о локализации колебании" в строительных конструкциях // Инженерно-строительныи" журнал. — 2012. — No5 (31). — С. 60-84.
15. Куцубина, Н. В., Санников, А. А. Теория виброзащиты и акустической динамики машин: учебное пособие. — Екатеринбург: Уральск. гос. лесотехн. ун-т, 2014. — 167 с.
Study of the influence of dynamic properties of the gearbox housing on its attachment to the electric locomotive traction motor
Pavlenko V.A., Rybnikov E.K.
Russian University of Transport (MIIT)
Constant usage of VL80 electric locomotives may result in losing multiple bolts of the toothed gear box which may lead to dangerous situations and accidents. In this study we inspected various reasons of fastening wear in reduction drive boxes by using frequency response modeling. We simulated the friction happening due to rolling over a gap between rails at 70kmh. For modeling purposes, we used MSC.Patran-Nastran. The frequency response acceleration was measured for the perpendicular direction in fastening pivots between the box and the traction motor. Based on frequency response calculations we identified dominating friction forms during micro collisions. We used modal analysis methods.
The results are as follows: the construction is weak to spinning and bending as well as localized frictions. One of the solutions is to use stiffeners on the walls of the box. The main volume of frictions is localized near 800Hz. By selecting the right stiffness, a partial filtering of frictions is possible which allows us to significantly reduce FR accelerations of the box and the dynamic pressure on bolt fastenings.
Key words: housing gearbox, traction motor, bolted connection, traction drive, destruction of the bolt, the modal analysis of wheel-rail dynamic impact, ribs, filter fluctuations.
References
1. Volodin S.V. Decrease in vibroactivity of cases of reducers of
traction transmission of electric trains. Dis. ... Cand. those. sciences. —M .: MIIT, 1999.
2. Shkolny MI, Akhmedov G. G., Demchenko I. P. Casing gears
// Problems and alternative designs. Bulletin of the All-Russian Research and Design Institute of Electric Locomotive. - 2017. - № 2 (76). - P. 43-51.
3. Dryagilev, A. Ye. Fault analysis of the mechanical part of electric
locomotives 2ES6 // News of Transsib. Ed. Omsk State University of Communications. - 2014. - No2. - P. 18 - 23.
4. Sea trials of the electric locomotive 3ES5K-160 to determine
the acceleration levels of axle boxes and on the casings of traction gears under operating conditions. Protocol number DP - 05-2013. - Novocherkassk, 2013.
5. Student Guide to Learning SolidWorks Software: A Tutorial. Concord, Massachusetts: Dassault Systèmes SolidWorks Corporation, 1995-2010. - 156 s. Access Mode: https://www.solidworks.com/sw/docs/Instructor_WB_2011_ENG.
6. Ye. K. Rybnikov, S. V. Volodin, R. Yu. Sobolev. Engineering
calculations of mechanical structures in the MSC.Patran-Nastran system. Part I. Study Guide - Moscow: MIIT, 2003. -130 p.
7. Rybnikov E. K., Volodin S. V., Sobolev R. Yu. Engineering
Calculations of Mechanical Structures in the MSC.Patran-Nastran System. Part II. Tutorial. - M .: MIIT, 2003. - 174 p.
8. Elovenko D. A., Kovyrshin S. V. Creating grids of finite element models in Patran: studies. allowance. - Irkutsk: IrGUPS, 2015. - 108 p.
9. GOST ISO 7626-5-99 - 2000. Vibration and shock. Experimental determination of mechanical mobility. Part5. Measurements using shock excitation by a pathogen that is not attached to the structure. - M., 2000. - 16 p.
10. Panovko Ya.G., Foundations of the applied theory of elastic vibrations. - M .: Mashinostroenie, 1967. - 316 p.
11. Vibrations in the technique. Handbook in 6 volumes. Protection from vibration and shock / Ed. K.V. Frolova. - T. 6. - M .: Mashinostroenie, 1981. - 456 p.
12. Sokolova, E. V. MathCAD in technical and economic calculations: a collection of tasks. - Chelyabinsk: SUSU Publishing Center, 2012. - 80 p.
13. Denisov G.V., Lalin V.V. On the continuous vibration spectrum of beam structural elements under high-frequency effects // Engineering and Construction Journal. - 2012. No1 (27). - p. 91-97.
14. Denisov G.V., Lalin V.V. On the issue of localization of oscillations in building structures // Engineering and Construction Journal. - 2012. - No5 (31). - p. 60-84.
15. Kutsubina, N. V., Sannikov, A. A. The Theory of Vibration Protection and Acoustic Dynamics of Machines: A Tutorial. -Ekaterinburg: Uralsk. state forestry Univ., 2014. - 167 p.
